Samenvatting Materiaalkunde II

Transcriptie

1 Samenvatting Materiaalkunde II De stf van materiaalkunde II is het laatste deel van hfdstuk 8, alles van hfdstuk 9,10,11 een deel van hfdstuk 17 en twee aanvullingen ver hge en lage temperatuursmaterialen. Hfdstuk 9: Fase diagrammen Legeringen zijn materialen die gemaakt zijn van meer dan 1 atmsrt. Bij het tevegen van kleine heveelheden vreemd materiaal verandert de elasticiteitsmdulus nauwelijks. De prductieksten nemen echter wel te. Enkele vrdelen van legeringen zijn: Hgere sterkte(t Tkamer) Hgere crrsieweerstand Grtere drhardingsdiepte Grtere ntlaatvastheid Grtere slijtageweerstand Verbeteren bepaalde fysische eigenschappen In een fasediagram kan afgelezen wrden heveel fasen er in een legering vrkmen p een bepaalde temperatuur en bij een bepaalde heveelheid tegevegd materiaal. In het gebied kmt stf A vr, met af en te een pgelst deeltje B. De heveelheid deeltjes B die p willen lssen in A, hangt af van de temperatuur. Bij hgere temperatuur is de plsbaarheid grter. Wrdt de heveelheid deeltjes B echter te grt, dan raakt de plssing verzadigd, en zullen de deeltjes van stf B niet meer mi plssen in A, maar blijven ze bij elkaar zitten. Op dit mment km je in het twee fasengebied. Hierbij bestaat een deeltje uit stf B, met af en te een pgelst deeltje A. Ga je nu ng meer B tevegen aan het materiaal, dan zullen er meer deeltjes kmen en minder deeltjes, maar de samenstelling van de en deeltjes blijft hetzelfde! (de samenstelling van de 2 fasen kunnen alleen veranderen als je de temperatuur varieert, want dan verandert de maximaal plsbare heveelheid van de ene stf in de andere). Alleen de verhuding waarin ze vrkmen verandert dus. Ga je nu nóg meer B tevegen, dan zal de heveelheid A z klein wrden dat deze pgelst kan wrden in B. Hierdr gaat het 2 fasengebied weer ver in 1 fase met enkel deeltjes, dus deeltjes die bestaan uit stf B waarin af en te een deeltje A pgelst zit. Hierdr ntstaat weer een nverzadigde plssing.

2 Als een kristal van stf A deeltjes van stf B pgelst heeft, dan spreken we van een mengkristal. De vaste stffen in het 1 fase gebied van een fase diagram bestaat dus uit mengkristallen. Zit je echter in het 2 fasegebied van 2 vaste stffen, dan is er sprake van een kristalmengsel, waarin zwel de mengkristallen als vrkmen. Naast het 2 fasengebied van twee vaste stffen, bestaan er k 2 fasengebieden waarin het ene deel van de legering vleibaar is en het andere deel vast. De vaste stf bestaat dan óf uit allemaal deeltjes óf uit allemaal deeltjes. Er is echter één situatie waarin de vaste stf uit zwel als deeltjes bestaat, namelijk p de hrizntale istherm in het fasediagram. Op dit mment met het 2 fasengebied namelijk mslaan naar óf deeltjes en vleibaar, óf deeltjes en vleibaar. Tijdens de vergang zullen dus altijd alle drie de fasen aanwezig meten zijn. Een bijznder punt p deze hrizntale istherm is het eutecticum. Op dit punt is er namelijk een fase vergang van én naar alleen maar vleistf, dus niet een vleistf in cmbinatie met ng een vaste stf. Met behulp van de fasenregel van Gibbs kan berekend wrden heveel vrijheidsgraden er zijn die bepalen wat de samenstelling van de fasen is (dus in α fase zit % A, % B enz), zie vraag 9.45 uit het bek. Het gaat er hierbij niet m heveel prcent van elke fase vrkmt, maar heveel prcent B pgelst zit in de α fase. Deze heveelheid verandert in het 2 fasegebied alleen met de temperatuur, en in het 1 fasengebied zwel met temperatuur als samenstelling van de stffen: F = aantal vrijheidsgraden (aantal parameters dat je ng met kiezen vrdat je zeker weet p welk punt in het fasediagram je zit; bijv. temperatuur, druk, samenstelling, enz.) C = aantal cmpnenten in de legering (bijv. C =2 vr een kper tin legering) P = aantal fasen N = aantal samenstellingsnafhankelijke parameters in het fasediagram (meestal 1, namelijk alleen temperatuur. In figuur 9.38 kun je zwel de temperatuur als de druk kiezen, dan N=2) In het 2 fasengebied bestaan er dus 2 verschillende stffen naast elkaar in de legering. Om te bepalen in welke heveelheid beide stffen vrkmen kun je gebruik maken van de hefbmregel:

3 In het fase diagram staat de evenwichtssamenstelling van een legering afgebeeld, dus de samenstelling die je zu krijgen als je neindig lang de tijd had. In de praktijk kmt het echter vaak vr dat het materiaal niet geneg tijd krijgt m het diffusieprces af te rnden, waardr de gestlde kristallen geen hmgene samenstelling hebben. In de afbeelding hiernaast bijvrbeeld blijkt dat na het stllen van de kper tin legering de kristallen niet veral 35% tin bevatten, maar er ntstaan ringen met allemaal een verschillende tin cncentratie. Hierbij is de cncentratie in het midden meer dan 35% en aan de randen minder dan 35%. Dit prces nemen we kristalsegregatie. Dit betekent dus dat de samenstelling van de kernen in de kristallen anders is als aan de mtrek van de kristallen. Een aantal eigenschappen van kristalsegregatie zijn: De diffusiesnelheid is te laag: de mate van segregatie wrdt bepaald dr de diffusiesnelheid De elementen in de legering die het eerst gestld zijn hebben het hgste smeltpunt, en vrmen dus de kern van het kristal. De elementen aan de buitenkant hebben een veel lager smeltpunt. Onzuiverheden met een kleine plsbaarheid wrden naar de krrelgrenzen gedwngen mdat zij een lager smeltpunt hebben dan het zuivere metaal f de legering zelf ( eigen vlk eerst ). Dr kristalsegregatie verschuift k de lijn die de grens aangeeft tussen het 1 en 2 fasen gebied. Bvenstaande prblemen kunnen vrkmen wrden dr vlak vr het stllen een klein beetje natrium te te vegen, f dr na aflp te gleien met een temperatuur net nder het smeltpunt, zdat de diffusiesnelheid verhgd wrdt en de atmen weer naar de evenwichtssituatie kunnen.

4 Als een stf met een samenstelling van het eutecticum gaat stllen ntstaat er een pmerkelijke structuur die we de eutectische structuur nemen: Het ntstaan van deze pmerkelijke structuur heeft een thermdynamische achtergrnd. Stel je vr dat je een ld tin legering met een eutectische samenstelling hebt (61,9% tin) die zich in de vleibare fase bevindt. Dan zwemmen de ld en tin deeltjes kriskras dr elkaar. Nu ga je de temperatuur verlagen zdat de legering begint te stllen. Hierdr kmen de kriskras dr elkaar bewegende deeltjes p een willekeurige manier naast elkaar te liggen in de vaste testand. Met deze testand zijn de deeltjes echter niet gelukkig. Ze willen per se naar de testand waarin alleen ng maar en deeltjes vrkmen (dit zijn namelijk de meest chatische testanden waarin ld en tin ng in elkaar willen plssen). Dus zullen de ldatmen naar elkaar te gaan kruipen en de tinatmen k, net zlang ttdat ze tevreden zijn met de verhuding ld:tin. Dit den ze dr middel van diffusie. Op deze manier staat een lamellenstructuur met m en m een ldrijke en tinrijke laag, mdat in deze situatie de lengte van het diffusiepad geminimaliseerd wrdt. Daarnaast zal er k een eutecticumstructuur ntstaan als een cncentratie stlt die zich in het 2 fasengebied bevindt met één vaste fase en één vleibare fase, bijv. het gebied. De vleibare fase zal bij het stllen namelijk steeds tinrijker wrden mdat de ldrijke delen beginnen te stllen (de dikke zwarte vlekken). Dit prces gaat dr ttdat de vleistf de eutecticum samenstelling heeft. Dan zal k het vleibare deel vast wrden en een eutectische structuur krijgen.

5 Om nderscheid te maken tussen de fase die vlledig uit bestaat en de uit de eutecticumstructuur, spreken we van respectievelijk primair (f pr eutectisch ) en eutectisch. De ttale heveelheid in een legering is de sm van het primaire en eutectische. Naast een eutecticum heb je k ng andere karakteristieke punten in het fase diagram. Hiernder een verzicht van de bekende karakteristieke punten: Eutecticum: Eutectïde: Peritecticum: Peritectïde: Cngruent punt: (dus geen 2 fasengebied in het fase diagram) Hyp eutectïdisch: staal met minder dan 0,76% klstf; Hyper eutectïdisch: meer dan 0,76% C Verschillende typen fasendiagrammen Het simpelste fase diagram is het fase diagram van 1 stf, bijv. water, waarin je bij verschillende temperaturen en drukken de fase (vast, vleibaar f gasvrmig) af kunt lezen. Indien er meerdere stffen met elkaar gemengd zijn, spreken we van een binair systeem. Bij een ismrf systeem zijn de twee legeringselementen altijd vlledig in elkaar plsbaar. Dan krijg je een fasediagram met alleen de fasen, en. Je zit dus altijd in het 1 fase gebied, en het fasediagram bevat k geen eutecticum.i.d. Daarnaast bestaat er k een binair eutectisch systeem. Hierin kunnen wel situaties met een 2 fasengebied vrkmen, en deze bevatten k één f meerdere eutecticums.i.d. Cngruente fase vergangen We spreken van een cngruente fase vergang als er geen veranderingen in de samenstelling van de fase zijn, da wil zeggen dat de percentages van stf A en stf B gelijk blijven. Een vrbeeld is het smelten van pure materialen. Is dit niet vr elke fase het geval, dan spreken we van een incngruente fase vergang. Een vrbeeld is het laten stllen van legeringen in een ismrf fasediagram. Harder maken van materialen: Zals in het begin al is gemeld, hebben legeringen nder andere als del het sterker en harder maken van metalen. Dit den ze dr het bewegen van dislcaties (=plastische defrmatie) tegen te gaan. Dit kan p 2 manieren: Oplssingsharding (1 fase): het tevegen van substitutinele f interstitiële atmen, bijvrbeeld kper en zink in elkaar plssen (messing), klstf plssen in ijzer (staal). Matrix en deeltjes (2 fasen): grte gedeelten met ander materiaal tussen de hfdstructuur, bijvrbeeld klstflamellen in gietijzer, precipitaties. Restvast staal (RVS) De structuur van RVS is nder de lichtmicrscp slecht zichtbaar mdat er een glimmende laag chrmxide verheen zit. In plaats van krrelgrenzen zie je een egaal wit vlak, met hier en daar een kras van een beschadiging.

6 Hfdstuk 10: Fase vergangen in metalen Fase vergangen zijn er niet pltseling, maar beginnen met kiemvrming. Hiervan bestaan twee srten, namelijk hmgene kiemvrming en hetergene kiemvrming. Er is sprake van hmgene kiemvrming als er spntaan nieuwe kiemen ntstaan drdat de vrije energie van de vaste fase lager is dan de vrije energie van de vleibare fase. Niet alle nieuwe kiemen zijn blijvend. Ze wrden pas blijvend als de vrije energie ver een barrière (de kritische straal, ) heen getild wrdt. Is de vrije energie eenmaal ver deze barrière ( ) heen, dan wrdt de vrije energie steeds minder naarmate de kiem grter wrdt en dan is kristallisatie dus gunstig. De barrière is zichtbaar in de grafiek in de vrm van een smfunctie van de grensvlakenergie en de bulkenergie. Hierin is de grensvlak energie en is het vrije enthalpieverschil. Vr hmgene kiemvrming is een grte nderkeling ndig, waardr er veel kiemvrming is. Dit geeft een relatief fijne structuur. Daarnaast bestaat er k ng hetergene kiemvrming. Hierbij zijn al een aantal startpunten vr kristallisatie ingebuwd (in de vrm van verntreinigingen). Op deze plaatsen is de barrière (zals die bij hmgene nucleatie bestaat) al weg, zdat het kristallisatieprces direct begint bij nderkeling. Hierdr is de temperatuur ng hger, waardr de krrels sneller greien. Dit geeft een relatief grve structuur. Bij het stllen van gietijzer in verschillende vrmen zullen verschillende structuren ntstaan: Bij het cquillegieten zal de buitenkant van het werkstuk snel afkelen dr de kude mal. Hierdr is er aan de rand een grte nderkeling, waardr heel veel kleine kiemen ntstaan. Daarachter zal de nderkeling iets kleiner wrden, maar mdat er in dit gebied sprake is van een duidelijke temperatuursgradiënt zullen de kiemen in de richting van die temperatuursgradiënt greien (richting van warm naar kud: dus vanaf het middelpunt naar buiten). In het midden zal er weinig nderkeling zijn, en de invled van de temperatuursgradiënt wrdt steeds minder. Daardr is er middenin geen duidelijke greirichting meer aan te wijzen, en in cmbinatie met een kleine nderkeling levert dit grve krrels. Bij het zandgieten gebeurt in wezen hetzelfde als in het midden bij cquillegieten: Er is geen duidelijke temperatuursgradiënt tijdens het afkelen, waardr er sprake is van een kleine nderkeling, en hierdr ntstaan grve krrels.

7 Micrprsiteit: Hltes die tijdens het stllen ntstaan mdat de dikke vleistf te strperig is m aan de kant gedrukt te wrden dr nieuwe dunne vleistf, dus kunnen ze niet pgevuld wrden. De kristallen in staal wrden tijdens het stllen gevrmd uit zgenaamde dendrieten. Dendrieten kenmerken zich dr een vertakkende structuur, de dendrietarmen. Deze dendrietarmen greien in de richting van de temperatuursgradiënt. Ze greien net zlang dr ttdat ze elkaar raken. Vervlgens beginnen de dendrietarmen zich te verdikken, waardr uiteindelijk alleen ng de krrelgrenzen zichtbaar zijn. Het ijzer klstfdiagram Eén van de belangrijkste diagrammen is het ijzer klstfdiagram, met name het eerste gedeelte (tt 6,70 massa% klstf). In dit deel zitten namelijk alle belangrijke gietijzer en staalsrten. Helemaal links in het diagram kan de structuur van 100% ijzer gevnden wrden: Ferriet: KRG ijzer, de vrm bij lage temperaturen tt 912 C (α ijzer) Austeniet: KVG ijzer, de vrm bij temperaturen 912 C 1394 C (γ ijzer) Delta ferriet: KRG ijzer, de vrm bij hge temperaturen vanaf 1394 C tt smeltpunt (δ ijzer) Als er klstf wrdt tegevegd aan het ijzer, zal hiervan eerst een deel interstitieel plssen. Bij het KVG ijzer zal het klstf atm midden in de kubus gaan zitten. Bij KRG ijzer zal het klstf atm midden p de grensvlakken gaan zitten. Wrdt de heveelheid klstf echter te grt, dan zal het niet meer plssen, waardr je in het 2 fasengebied terecht kmt. Hierdr ntstaat een nieuwe stf, namelijk cementiet. Deze stf zet zich af aan de krrelgrenzen: Cementiet: IJzer gemengd met klstf (Fe 3 C) Bij verschillende heveelheden klstf heeft de ijzer klstflegering verschillende namen:

8 Puur ijzer: ijzer met minder dan 0,0008 % klstf Staal: ijzer met 0,0008 2,14 % klstf (gangbaar: <1% klstf) Cnstructiestaal: ijzer met minder dan 0,3 % klstf Machinestaal: ijzer met 0,3 0,6 % klstf Gereedschapsstaal: ijzer met 0,6 1,5 % klstf Gietijzer: ijzer met 2,14 6,70 % klstf (gangbaar: 3 4 % klstf) Een karakteristiek punt in dit fasediagram is het eutecticum bij 4,30% klstf. Als een vleibare staalsrt met deze samenstelling smelt ntstaat er een eutectische structuur die we een speciale naam hebben gegeven, namelijk ledeburiet: Ledeburiet: Speciale eutecticumstructuur van austeniet en cementiet, ntstaan uit vleistf. Een ander karakteristiek punt is het eutectïde bij 0,76% klstf. Als het austeniet (α ijzer) bij deze samenstelling stlt zal er, net als bij een eutecticum, een lamellenstructuur ntstaan die we k een aparte naam hebben gegeven, namelijk perliet. Daarnaast ntstaat het k gedeeltelijk bij hgere/lagere klstfgehaltes. Van 0 tt 0,76% neemt het perlietgehalte in het ferriet lineair te. Hierbij met er nderscheid gemaakt wrden tussen fijnkrrelig perliet (ntstaat bij snel kelen) en grfkrrelig perliet (dikkere lagen in de lamellenstructuur dr langzaam kelen, waardr de temperatuur langer hg blijft, zdat de diffusie sneller gaat en atmen een grtere afstand af kunnen leggen): Perliet: Speciale eutectïdestructuur van ferriet en cementiet, ntstaan uit austeniet. Als we er vr zrgen dat het austeniet heel snel stlt (afschrikken), dan krijgen de atmen geen tijd vr diffusie, waardr er k geen lamellenstructuur kan ntstaan. Het ijzer wil gelijk van KVG naar KRG, maar dit lukt maar half. De stf die dan ntstaat nemen we martensiet, deze heeft een plaatvrmige TRG structuur met een erg grte hardheid. Tussen de platen in ligt niet getransfrmeerd austeniet: Martensiet: Fasetestand van ijzer dat heel snel afgekeld wrdt vanaf austenietgebied; hard en brs. Verder bestaat er ng een srt tussenfase van perliet en martensiet, die we bainiet nemen. Deze stf is pgebuwd uit cementietnaalden f plaatjes met ferriet. Bij deze stf maken we nderscheid tussen hgbainiet en laagbainiet. Deze stf ntstaat als de temperatuur al z ver gedaald is dat de vrming van perliet niet meer mgelijk is, (zie het TTTdiagram). Bij bainiet zit er veel meer ferriet tussen de naalden dan bij martensiet: Bainiet: Tussenfase van perliet en martensiet

9 Istherm tijd temperatuur transfrmatie diagram (TTT diagram) Om te achterhalen welke staalsrt ntstaat tijdens het afkelen van de ijzerklstflegering, kun je gebruik maken van het istherme TTT diagram, zie het figuur hiernaast (deze geldt vr 0,76% C). De gekleurde lijnen zijn enkele vrbeelden van he het diagram afgelezen kan wrden. Het verschil tussen het TTT diagram en het fasediagram is dat in het TTT diagram de metastabiele fasen afgelezen kunnen wrden. Hierbij met pgemerkt wrden dat alleen austeniet kan transfrmeren, dus bijv. bainiet wrdt geen martensiet meer, dan met je het eerst weer pwarmen tt austeniet. Een stf nemen we metastabiel als hij in een bepaalde testand wél stabiel is, maar niet in de laagste energietestand. Een ged vrbeeld hiervan is cementiet. Deze stf zal bij kamertemperatuur niet ntbinden in ijzer en klstf, maar als hij pgewarmd wrdt en vervlgens een paar jaar pgeslagen, dan zal hij ntbinden in ijzer en klstf. Cntinue keling transfrmatie diagram (CCT diagram) In de praktijk blijkt het lastig metalen een istherme warmtebehandeling te geven. Daarm is er k een diagram ntwikkeld waarin je de curves vr afkelsnelheden kunt tekenen, uitgaande van een cnstante afkelsnelheid in C/s. In het CCT diagram van een ijzer klstf legering met 0,76% klstf zit geen bainiet neus, mdat de snelheidskrmme altijd eerst dr het perlietgebied kmt, vrdat hij bij net bainietgebied aan zu kmen. Dit zu betekenen dat al het austeniet al getransfrmeerd is tt perliet, en dan is het niet meer mgelijk m bainiet te vrmen.

10 Mechanische eigenschappen De hardheid en sterkte van ijzer klstf legeringen die de fasen ferriet en cementiet bevatten hangen af van het grensppervlak tussen deze twee fasen. He grter dit gebied, des te harder en sterker is dit materiaal. Dit kmt mdat deze grenzen de beweging van dislcaties belemmeren. Tevens zrgt de cementiet fase ervr dat defrmatie van de ferrietfase aan de grenzen beperkt wrdt. Fijnkrrelig perliet is dus harder dan grfkrrelig perliet, mdat er meer grensppervlak is. Martensiet is een zeer hard en brs materiaal, mdat er relatief weinig mgelijke glijsystemen zijn vr een TRG (tetragnaal ruimtelijk gecentreerde) kristalstructuur. Tevens zit alle klstf vast pgelst. Hierdr wrdt het vr de dislcaties erg meilijk m te bewegen. Indien men martensiet gaat veredelen, neemt de hardheid af en de taaiheid te. Dit kmt mdat er dan cementiet blletjes aan de fase grenzen ntstaan, die steeds grter wrden. De ductiliteit wrdt gemeten in AR% (Area reductin).

11 Hfdstuk 11: Tepassingen en prcessen vr metaallegeringen Ongelegeerd staal Ongelegeerd staal is ijzer met daarin nder andere klstf, mangaan en silicium pgelst. Daarnaast kunnen er zeer kleine heveelheden zwavel, fsfr, stikstf en zuurstf in vrkmen. De sterkte van ngelegeerd staal kan p de vlgende manieren pgeverd wrden: Krrelverfijning Versteviging (kud defrmatie) Vaste plssingsharding (Mn, Si) Harde tweede fase cementiet naast ferriet Vrming van martensiet Enkele warmtebehandelingen vr ngelegeerd staal (zie figuur): 1. Nrmaliseren (nrmaalgleien) 2. Harden 3. Onderbrken harding 4. Warmbad harding 5. Bainitisch harden 6. Patenteren Het del van zachtgleien is het mzetten van plaatvrmig cementiet naar blvrmig cementiet bij staal met 0,5% tt 0,8% klstf. Dit mzetten kan dr diffusie van C atmen. Hierdr zullen de sterkte en hardheid van het staal afnemen, maar de taaiheid neemt te, waardr het staal beter bewerkbaar wrdt. Dit prces duurt 5 tt 10 uur, bij een temperatuur van rnd de 700 C. Tijdens het verspanen is het vr de beitel gemakkelijker m de harde cementietblletjes aan de kant te drukken in de zachte ferriet/perliet massa, dan m plaatvrmige cementiet weg te drukken. Hierdr heb je minder beitelslijtage. Daarnaast bestaat er k ng spanningsarm gleien. Hierbij dalen de inwendige spanningen, verrzaakt dr plastische vervrmingen, niet unifrme keling f fase vergangen waarbij de ude en nieuwe fase verschillende dichtheden hebben. Het wegnemen van deze spanningen kan dr het werkstuk gedurende enige tijd p hgere temperatuur te laten verblijven, net zlang ttdat

12 het hele werkstuk een unifrme temperatuur heeft, en vervlgens het werkstuk weer rustig af te laten afkelen in lucht. Deze temperatuur is meestal niet z hg dat de effecten van bijv. afschrikken ngedaan kunnen wrden gemaakt. Dr nrmaalgleien krijg je een krrelverfijning met een hmgene krrelgrtte, bestaande uit ferriet en perlietkrrels. Het nrmaalgleien gebeurt bij temperaturen z n 55 C bven de fasegrens. Hierdr km je dus tijdelijk in het austeniet gebied, en na rustig afkelen km je weer terug in het ferriet/perliet gebied, dus je krijgt 2 keer een krrelverfijning. Dr dit prces nemen de hardheid en de rekgrens van het materiaal te. Harden is het zeer snel afkelen van staal in het austeniet gebied naar het martensietgebied. Hierdr ntstaat heel hard en slijtvast staal. Hiervr zijn verschillende afkelmiddelen, namelijk een ven, zutbad, lucht, lie f water. Na het harden blijven er restspanningen ver in het materiaal. Bvendien blijven er stukken rest austeniet in het materiaal zitten. Dit kan verhlpen wrden dr te gaan ntlaten. De hardingsdiepte (diepte martensiet fase) wrdt gecntrleerd met de Jminy pref. Er kan tevens gehard wrden dr extra legeringselementen te te vegen, zals Ni, Cr f M. Deze vertragen de vrming van perliet/ferriet, zdat er meer martensiet ntstaat. De hardingsdiepte wrdt verder beïnvled dr de grtte van de austenietkrrels (grte krrels = minder grensvlak = minder kiemvrming perliet = meer martensietvrming), de thermische geleidingscëfficiënt (gede geleiding = sneller afkelen binnenkant = meer hardingsdiepte) en de srtelijke warmte (hge srtelijke warmte = veel energie afveren per graad keling = langzamere keling = minder martensietvrming, dus minder hardingsdiepte). Ontlaten de je bij relatief lage temperatuur, namelijk nder de 200 C. Hierdr ntstaat zeer fijn ε carbide (Fe 2,4 C). Bij dit prces transfrmeert het rest austeniet in martensiet. Tevens wrden, als het klstfpercentage minstens 1% bedraagt, restspanningen weggenmen, waardr het materiaal minder brs wrdt en de kans p spntane scheuren kleiner wrdt. Daarnaast bestaat er k ng veredelen. Dit de je met martensiet tussen de 400 en 600 C, bij een klstfpercentage van 0,35 tt 0,70%. Hierdr krijg je fijn verdeelde cementietblletjes in het ferriet. Hierdr wrdt het materiaal sterk en taai. Enkele ppervlaktebehandelingen vr ngelegeerd staal zijn: Carbneren Carbnitreren Nitreren Vlam en inductieharding Veredelen Carbneren is het verhgen van het klstfgehalte in staal dr het in een klstfrijke mgeving te leggen, zdat het klstf van buitenaf via diffusie p kan lssen in het staal. Hierbij wil je in het austeniet gebied zitten, mdat je dan veel meer klstf p kunt lssen in het staal. Dit austenietgebied wrdt bereikt bij relatief hge temperaturen. Hierdr kan er bij langdurig carbneren sprake zijn van krrelgrei. Dit verschijnsel kan ngedaan gemaakt wrden dr na aflp te gaan nrmaliseren. Carbneren kan nuttig zijn m staal een klstfgehalte van bven de 0,3% te geven, zdat harden mgelijk is (bij een te laag klstfgehalte kan geen martensiet gevrmd wrden).

13 Het carbnitreren is een alternatief vr het carbneren dat wrdt tegepast bij ngelegeerde materiaalsrten, zals autmatenstaal, Fe360 en C45. Het verschil tussen carbneren en carbnitreren is dat bij carbnitreren in gasvrm naast klstf k stikstf langs het ppervlak geleid wrdt. De stikstf die met de klstf in het ppervlak diffundeert, verbetert de hardbaarheid zdat k beperkt hardbare staalsrten vrzien kunnen wrden van een hard ppervlak. De bereikbare dieptes zijn, ten pzichte van de carbneerstaalsrten, beperkt. Bij het nitreren wrdt p hge temperatuur een strm ammniakgas (NH 3 ) langs de buitenkant van het stalen prduct geleid. De stikstf (N 2 ) uit het gas gaat hierbij een chemische reactie aan met ijzer atmen uit de schil. Hierbij wrden in de schil zeer harde, slijtvaste ijzer nitriden gevrmd (Fe x N). Om deze reactie mgelijk te maken, met het staal wel gelegeerd zijn met enkele prcenten Al, Cr en M. Met behulp van de prcessen vlamharding en inductieharding wrdt een materiaal gemaakt met een harde martensitische schil en een zachte kern. Dit wrdt gedaan dr van een kud materiaal alleen de schil heel snel p te warmen met een autgene vlam (vlamharding) f inductieve verhitting (inductieharding), en gelijk weer af te schrikken. Precipitatie Precipitatie is het maken van een ververzadigde plssing. Dit gebeurt in 3 stappen: 1. Oplsgleien: Wachten ttdat al het kper pgelst is in aluminium 2. Afschrikken: Op het mment dat het kper ged pgelst is ga je heel snel afkelen. Hierdr kan het kper niet z snel naar zijn evenwichtsfase. Je krijgt nu een ververzadigde plssing. Hierdr blijven tevens de vele vacatures in het materiaal aanwezig. 3. Veruderen: Je laat de lsse pgelste kperatmen langzaam weer naar elkaar te kmen, waardr er grepjes wrden gevrmd. De grtte van die grep bepaalt de rekgrens. Er is een bepaalde ptimale grtte waarbij de rekgrens maximaal is. De gevrmde kper grepen nemen we precipitaten en zijn p nderstaande ft te zien. Let p: De stf is nu ng niet in thermdynamisch evenwicht, maar mdat de diffusiesnelheid p lage temperaturen k heel laag is, kun je het materiaal prima gebruiken.

14 Niet elke legeringssamenstelling is geschikt vr precipitatie. De samenstelling met aan twee eisen vlden, namelijk een plsbaarheid van enkele prcenten van stf A in B, en de plsbaarheid met snel afnemen bij precipitatie. Een ideaal punt vr precipitatie staat in de figuur hierbven weergegeven. Bij het pwarmen van het materiaal verdwijnen de precipitaten, en daarmee het effect van de precipitatieharding. Oplssingsharden Een andere techniek m de hardheid en treksterkte van metalen te vergrten is dr middel van plssingsharden. Hierbij wrden substitutinele atmen tegevegd die niet mi in het metaalrster passen,waardr er interne spanningen ntstaan en het materiaal harder en sterker wrdt. Bij het pwarmen gaat het effect van plssingsharding NIET verlren. Gietijzer Gietijzer bevat gemiddeld z n 3% tt 4% klstf. De structuur hangt nder andere af van het klstfgehalte, siliciumgehalte en afkelsnelheid (lagere afkelsnelheid zrgt vr meer klstfvrming). Er zijn verschillende srten gietijzer: Grijs gietijzer varianten (Si gehalte 1 3%) Perlitisch grijs gietijzer Ferritisch grijs gietijzer Gewn grijs gietijzer Wit gietijzer varianten (Si gehalte <1%) Wit gietijzer (znder nabehandeling) Tempergietzijer (laag C gehalte) Frisijzer (hg C gehalte) Gemêleerd gietijzer Perlitisch gemêleerd gietijzer Ferritisch gemêleerd gietijzer Gewn gemêleerd gietijzer Ndulair gietijzer (Mg en/f Ce tevegen) Lamellair ferritisch grijs gietijzer Grijs gietijzer bevat tussen de 2,5% tt 4% klstf (in lamellen) en tussen de 1% en 3% silicium. Het heeft slechte mechanische eigenschappen: het is erg brs en heeft een lage treksterkte. Grijs gietijzer is ged in staat trillingen p te vangen. Het wil in gesmlten testand ged vleien, dus hier kun je cmplexe vrmen mee maken. Bvendien is de vlumetrische krimp tijdens het afkelen laag. Bvendien is het een van de gedkpste metalen. Het verlagen van het siliciumgehalte en het verhgen van de afkelsnelheid zrgen er vr dat er Lamellair perlitisch grijs gietijzer minder klstf ntstaat. Is de afkelsnelheid hg en het Si gehalte laag, dan ntstaat er perlitisch grijs gietijzer. Bij lage afkelsnelheid laag en hg Sigehalte ntstaat ferritisch grijs gietijzer. Daar tussenin ntstaat gewn grijs gietijzer.

15 Ndulair gietijzer is gietijzer waarbij een kleine heveelheid magnesium en/f cerium is tegevegd. Ok bij deze gietijzersrt ntstaat er lsse klstf (net als bij lamellair gietijzer), maar nu in de vrm van kleine blletjes in een ferrietf perlietmatrix. Hierdr nemen de taaiheid en de sterkte te (vergelijkbaar met de standaard staalsrten). Het wrdt gebruikt vr kleppen, krukassen en andere aut en machinenderdelen. Ndulair gietijzer Wit gietijzer ntstaat bij stffen met minder dan 1% silicium, gemiddeld een klstfpercentage van 2,5% tt 4%, en hge afkelsnelheden, waardr het vergrte deel van het klstf pgeslagen blijft als cementiet, en het cementiet dus niet kan ntleden tt ijzer en grafiet. Als je het drmidden zu breken, dan heeft een gedeelte van het breukvlak een witte kleur (cementiet), mringd dr perliet. Dr de grte heveelheid cementiet die er in zit, is het gietijzer erg hard, maar tegelijkertijd k erg brs, zdat het bijna niet na te bewerken is. Daarm wrdt het k niet veel tegepast. Het meeste witte gietijzer dient als tussenprduct in de prductie van gemêleerd gietijzer. Dr de ndzakelijke hge afkelsnelheid is het nmgelijk m hiervan dikwandige prducten te maken. Gemêleerd gietijzer ntstaat wanneer wit gietijzer een bepaalde tijd herverwarmd wrdt tt C. Hierdr gaat het cementiet alsng ntleden en wrden er grafietclusters gevrmd, mringd dr een ferrietmatrix. Hierdr nemen de sterkte en taaiheid te. Deze gietijzersrt lijkt erg p ndulair gietijzer, alleen ziet het grafiet er hier niet uit als blletjes, maar meer als rzetjes. Ok is er bij deze gietijzersrt sprake van twee varianten, namelijk perlitisch gemêleerd gietijzer (snel kelen) en ferritisch gemêleerd gietijzer (langzaam kelen). Deze gietijzersrt wrdt gebruikt vr tandwielen, differentieelbehuizingen, fittingen en vr andere zware tepassingen in de autmbiel, sprweg en maritieme industrie. Frisijzer wrdt geprduceerd dr hg klstfhudend wit gietijzer te gleien in een klstf nttrekkend (decarburiserend) medium. Klstf wrdt verwijderd aan het ppervlak van het gietstuk en het verlies wrdt alleen gecmpenseerd dr de diffusie van klstf uit het inwendige van het gietstuk. Frisijzeren gietstukken zijn inhmgeen met een ntklde ppervlaktelaag en een kern met een hger klstfgehalte. Temperijzer wrdt gemaakt dr het gleien ( C) van wit gietijzer met een laag klstfgehalte (2,2 2,9 %) znder decarburisering. De resulterende structuur van klstf in een ferriet matrix is hmgeen met betere mechanische eigenschappen dan frisijzer. Tevens neemt de schkvastheid te. Temperijzer Gelegeerde stalen Dr het legeren van staal wrden betere eigenschappen verkregen. Enkele vrdelen van legeren: Vergrten hardingsdiepte (grtere werkstukken) Behud sterkte bij verhgde temperatuur in ntlaten testand Verhgde crrsieweerstand

16 Behud sterkte bij temperaturen < 0 C Enkele vrbeelden van bekende gelegeerde staalsrten: Dual phase steel Ausfrmingsstaal Maraging staal Veredelingsstaal Restvast staal (RVS) Ferritisch RVS (ged lasbaar, rekgrens MPa) Martensitisch RVS (niet lasbaar, grte sterkte en slijtvastheid) Austenitisch RVS (Crrsie bij de krrelgrenzen dr chrmarme zne p hge T) Precipitatie hardend RVS (martensitisch RVS met intermetallische bindingen) Dual phase steel is staal met een laag klstfgehalte, snel gekeld vanaf het twee fasengebied. Hierdr ntstaat zwel ferriet als martensiet. Met dieptrekken wrdt het sterk verstevigd. Ausfrmingsstaal wrdt gemaakt dr het tevegen van chrm, mlybdeen, vanadium, mangaan en nikkel. Het heeft een hge sterkte en ductiliteit. Tevens zrg je er dr deze tevegingen vr dat de bainiet en perlietneuzen in het TTT diagram pgeschven wrden in de tijd, zdat er k bij lagere afkelsnelheden martensiet gevrmd kan wrden. Dit kmt mdat de substitutinele legeringselementen slecht diffunderen, waardr de perliet/bainiet vrming belemmerd wrdt. Hierdr is er tijd vr plastische defrmatie in het metastabiele gebied, en kun je na aflp tch martensiet/bainiet maken. Dit is echter meilijk uitverbaar, mdat je staal met hge temperatuur met defrmeren. Warm walsen behrt tt de mgelijkheden. Maraging staal heeft de bijzndere eigenschap dat de fase grenzen tijdens het afkelen p een andere temperatuur liggen dan bij het pwarmen. Het is tevens ged lasbaar. Het wrdt gemaakt dr verschillende nikkelverbindingen te te vegen( Ni 3 M, Ni 3 Al en Ni 3 Ti). Verder zijn er verschillende srten veredelingsstaal. Dit is staal waarbij ze tijdens het veredelen (harden + ntlaten, zie eerder in de samenvatting) enkele legeringselementen hebben tegevegd: grte drhardingsdiepte: Mn, Cr, Si, Ni, B (0,005 %) lagere tegestane afkelsnelheid (scheurvrming) Beperken krrelgrei (V) Beperken ntlaatbrsheid (M) Precipitatie tijdens ntlaten (M, Cr) Hardheid behuden p hge temperatuur (650 C) dr secndaire harding in een M staal Er is pas sprake van restvast staal als er meer dan 12% chrm aanwezig is. Hierdr ntstaat een xidatievaste chrmxide laag Cr 2 O 3, die we de σ fase nemen. Deze fase zet zich af aan de krrelgrenzen, en maakt het materiaal erg brs. Deze xidatiehuid is echter wel gevelig vr Cl inen. Dr meer chrm te te vegen wrdt het austeniet gebied steeds kleiner, daarm wrdt chrm k wel een ferrietvrmer genemd. Dit kmt mdat chrm een KVG structuur heeft. Nikkel daarentegen is een austenietvrmer en heeft een KRG structuur.

17 Nn ferr legeringen Enkele veelgebruikte nn ferr legeringen: Al legeringen 2,7 g/cm 3 Gede crrsiebestendigheid Gede warmte en elektrische geleiding E mdulus = 70 GPa KVG structuur: Ged vervrmbaar (extrusie, smeden, walsen, draadtrekken) Geen taai/brs vergang Sterkte: 40 MPa (nbehandeld, wrdt beter dr plssingsharding (Mg), precipitatieharding en kud defrmatie) Temperatuursbestendigheid: Onbehandeld: C (in verband met kruip) Na tevegen van Ni/Fe: 250 C Gesinterd Al + gexideerd Al peder (SAP): 500 C Mg legeringen 1,8 g/cm 3 Slechte crrsiebestendigheid Gede warmte en elektrische geleiding E mdulus = 45 GPa HDP structuur: Slecht vervrmbaar Ged verspaanbaar Sterkte Lage taaiheid dr HDP structuur Sterkte pveren dr plssingsharding (Al), precipitatieharding (vaak Al Zn), Tevegen van Zr vr fijnere krrels en betere vervrmbaarheid Ni legeringen Nikkel ijzer legeringen: Invar: Geen uitzetting tussen 0 en 100 C (cmpetitie uitzetting en demagnetisatie) Cvar: α van glas Elinvar: cnstante E mdulus tussen 0 en 40 C Nikkel kper legeringen Mnel: zeer crrsiebestendig Cnstantaan: elektrische weerstand is niet afhankelijk van de temperatuur. Wrdt gebruikt in gleilampen.

18 Zn legeringen 7,1 g/cm 3 Gede atmsferische crrsiebestendigheid (deklaag p staal) Zeer gede gietbaarheid met nauwkeurige tleranties Minder gede vervrmbaarheid Lage kruipsterkte (T m = 419 C, en kruip treedt p significant p bij 0,4T m ) Cu legeringen 8,94 g/cm 3 Gede crrsiebestendigheid Gede warmte en elektrische geleiding E mdulus = 70 GPa KVG structuur: Ged vervrmbaar (extrusie, smeden, walsen, draadtrekken) Geen taai/brs vergang Ongeleerd kper (elektrisch): Sterkte (gerekristalliseerd): 200 MPa Sterkte pveren dr plssingsharding (Cd), kud defrmatie f precipitatieharding (Cr, Be & C) In een waterstfrijke mgeving ntstaat waterdamp, tevens scheurvrming. Op te lssen dr tevegen van P, maar dan lagere geleidbaarheid. Enkele kperlegeringen (cnstructief): CuZn: Messing CuSn: Brns, wrdt nder andere gebruikt vr gietwerk. Prsiteit na het gieten kan hierbij een prbleem zijn. Bij lagers gebruiken ze lagerbrns. Dit zijn harde, slijtvaste δ deeltjes in een zachte α matrix. CuAl: Aluminiumbrns CuNi:.a. Cuprnikkel CuBe: Kper en beryllium, dit materiaal heeft bijznder gunstige eigenschappen, namelijk hge treksterkte (1400 MPa), uitznderlijk gede warmte en elektriciteitsgeleiding, stijf, hard en licht. Het wrdt nder andere gebruikt vr puntlaselektrden en in de luchtvaartindustrie. Het wrdt vervaardigd dr achtereenvlgens hmgeengleien, afschrikken en ntlaten p 325 C. Hierdr ntstaat een fijne verdeling van CuBe. Kud defrmatie en rekristalliseren Materialen kunnen sterker wrden gemaakt dr middel van kud defrmatie (versteviging). Hierbij zrg je vr een tename van het aantal dislcaties. De effecten van kud defrmatie kunnen ngedaan gemaakt wrden dr het verwarmen van het materiaal. Het materiaal drlpt hierbij achtereenvlgens de vlgende prcessen: Herstel = herverdelen van de dislcaties Rekristallisatie = het ntstaan van nieuwe krrels p plaatsen met veel dislcaties Krrelgrei = het greien van de nieuw ntstane krrels LET OP: Rekristallisatie kan alleen bij een minimale kud defrmatie (kritische defrmatiegraad)

19 Hfdstuk 17: Crrsie Crrsie is het ngewenst aantasten van een metaal. Er zijn 2 belangrijke srten crrsie: Oxidatie (Chemische crrsie): Metaal staat elektrnen af; znder elektrische verschijnselen. Veel metalen maken p deze manier een binding met zuurstf. Het resten van staal is echter geen zuivere xidatie, maar gaat gepaard met elektrchemische crrsie. (Elektrchemische) crrsie: Metaal gaat in plssing. Hiervr is een elektrlyt (geleidende vleistf) ndig. Dit prces verlpt via 2 halfreacties. De halfreacties verlpen alleen spntaan als de redxptentiaal van de reductie hger is dan die van de xidatie. Deze redxptentialen kun je pzeken in een tabel met reductiereacties: Reductiereactie (kathde, neemt elektrnen p): 2 Oxidatiereactie (ande, geeft elektrnen af): 2 LET OP: Zink geeft elektrnen af, dus is een reductr. De reactie nemen we echter een xidatie reactie, zie hierbven: xidatie = afgeven elektrnen. Vrmen van crrsie Enkele veelvrkmende vrmen van elektrchemische crrsie: Gelijkmatige aantasting (cr ten staal) Put en/f spleetcrrsie (RVS in zeewater, rzaak: cncentratieverschillen in elektrlyt) Impingement attack (snelstrmende vleistffen in buizen beschadigen de xide huid) Ersiecrrsie (vaste deeltjes van strmende vleistffen in buizen beschadigen xidehuid) Cavitatiecrrsie (hltes in vleistf met lage druk implderen en beschadigen xide huid) Spanningscrrsie (crrsie dr spanning beneden de rekgrens samen met crrsief milieu) Vermeiingscrrsie (crrsie dr wisselende belastingen samen met crrsief milieu) Interkristallijne crrsie (RVS met plaatselijk minder dan 12% Cr) Cntactcrrsie (2 metalen met daartussen een elektrlyt die elkaar gedeeltelijk raken) Crrsie dr lkale cncentratieverschillen in de elektrlyt Blank staal dat met water in aanraking kmt gaat resten, mdat er zuurstf in het water zit pgelst. Drdat er vaak neffenheden, spleten (bijv. bij butverbindingen) en dergelijke in stalen vrwerpen zitten, kunnen er lkale cncentratieverschillen van de zuurstf in het water staan. Zuurstf kmt namelijk minder ged dr nauwe spleten heen. Deze lcale cncentratieverschillen van zuurstf in water kunnen ervr zrgen dat het metaal p de ene plaats sneller rest dan p de andere plaats. Bij ijzer in water vinden bijvrbeeld de vlgende twee halfreacties plaats:

20 Aan de linkerkant van de vergelijking is te zien dat er zuurstf verdwijnt. Deze zuurstf wrdt nttrkken aan de plek waar de zuurstfcncentratie het hgst is, dus in het zuurstfrijke gebied. Aan de rechterkant is te zien dat er nder andere Fe 2+ inen ntstaan. Deze zullen juist ntstaan p de plek waar de zuurstfcncentratie het laagst is, dus p de plekken in het metaal die grenzen aan het zuurstfarme gebied. Je kunt dus zeggen dat de ande van dit systeem zich in het zuurstfarme gebied bevindt en de kathde in het zuurstfrijke gebied. Kathde en ande meten echter elektrisch verbnden zijn m de redxreactie te kunnen laten verlpen, hier zrgt het vaste ijzer vr. In het midden zitten dus verreweg de meeste Fe 2+ inen, en juist deze inen zijn verantwrdelijk vr restvrming. Bescherming tegen crrsie Enkele veelgebruikte manieren m materiaal tegen crrsie te beschermen: Materiaalkeuze afstemmen p de mgeving Deklagen (verf, gegalvaniseerd ijzer, le pan, enz.) Cnstructie en fabricage Vrkmen van stilstaand/phpend water Vrkmen van turbulentie Vrkmen van te hge restspanningen Kathdische bescherming (te beschermen metaal niet afdekken, maar elektrisch geleidend verbinden met een ande die ng nedeler is, zdat die eerst reageert en daardr blijft het te beschermen materiaal tch intact, ndanks dat het helemaal nbeschermd bltgesteld wrdt aan reactieve materialen) Verandering van mgeving (kelvleistf gebruiken in plaats van kraanwater) Vrming van xide De grei van de xidelaag p een metaal hangt er vanaf f de xidehuid preus is f niet. Bij een preuze laag kan de zuurstf er z drheen, waardr de xidelaag lineair greit. Bij een geslten xidelaag zal de zuurstf er via diffusie drheen meten. Dit duurt veel langer, en de xidelaag zal parablisch (wrtelfunctie) f lgaritmisch greien. Het Pilling Bedwrth getal is een maat vr preusheid: (PB=) M = mlecuulgewicht xide; d = dichtheid metaal; p = aantal metaalatmen in het xide; m = atmgewicht metaal; D = dichtheid xide PB < 1 geeft trekspanning, PB > 1 geeft drukspanningen. PB iets grter dan 1 is het meest gunstig. Bescherming tegen xidatie Naast elektrchemische crrsie meten metalen k beschermd wrden tegen xidatie. Dit kan p verschillende manieren: Omgeving (inerte gassen tijdens het lassen van materialen) Materiaal (legeringen maken) Deklagen (Vergullen van tulpstekkertjes)