Microstructurele transformaties

Fasetransformaties =! instant !
Vorming van kiemen van nieuwe
korrels/fasen met lagere energieinhoud
Creatie nieuw oppervlak kost energie
Start transformatie
Inleiding
Uitgroeien kiemen vergt tijd
Beweging van atomen in materaal over afstanden groter dan afstand tss atomen
(lokale) concentratiegradienten
Extern aangelegde krachten
Oorzaken
Elektrische spanning
...
Kinetische aspecten
Stollingstemp = smelttemp
Afkoelen vanuit vloeistof =>
bolvormig deeltje vormt
Verandering vd energie
Per inhoud
Per oppervlakte
Zuivere stof
Warmtebehandeling
Sinteren van poeders
Stolling
Levensduur van
elektronische schakelingen
...
Op roosterpunten
Tussen roosterpunten
Homogene kiemvorming
Verschillende toepassingen
Volumediffusie
Over deffecten
In kristallijne materialen
Diffusietype
Heterogene kiemvorming
Mechanismen
CO2-bellen in bruisende dranken
In oxi des (ionische kristallen)
Diffusie
Diffunderend ion
Vast-vast transformatie
Sterk verbonden in netwerk OF
Zwak verbonden met vdW-krachten
Continue gasstroom doorheen dunwandige buis
Concentratiegradi ent tussen bi nnen en buiten de buis
Opbouw spanning door verschil in dichtheid
Diffusiesnelheid
Gemak hechting nieuwe atomen aan kern
Afvoer van warmte
In polymeren
Kiemgroei
Stel
Combinatie vorming en groei bepaalt transformatiesnelheid
1e wet
Differentiaalvgl
1e wet was voor stationaire toestand
Concentratiegradient neemt af als diffusie vordert
Oplossing geeft C v diffunderende atomen ifv t en x
Volledig opgaan als
2e wet
Wetten van Fick
Kiemvorming en kiemgroei
Diffusiecoefficient in oplossing
TTT
2 dislocaties met verschillend teken => annihilatie
Lage hoek korrelgrens door herschikking disloc
Lage hoek korrelgrens
Subkorrels
Continuous Cooling Transformati on
Geeft welke fasen ontstaan ifv afkoelsnelheid
Van belang bij staal (sommige fasen ongewenst)
Volledige onderdrukking
austeniet naar perliet
Diagrammen
Processen die leiden tot
Annihilatie/l age hoek grenzen
CCT
Warmtebehandeling
Bij materialen met lage dislocatiemobiliteit
Celwanden echte grens tss
gebieden met klein orientatieverschil
Bij snelle afkoeling wordt vloeistof 'ingevrozen'
Geen tijd voor kiemvorming/groei
Niet stabiel
Amorfe structuur
Maar transformatie naar kristallijne
structuur gaat vaak niet op
Herstel
Globale energie-inhoud systeem daalt
Glastransitietemp Tg
Verdere warmtebehandeling
Materialen met hoge disloc mobiliteit
Afhankelijk van de afkoelsnelheid!
Waarnemen proces
Stel: legering A+B
Term: spanningsvrijgloeien
Segregatie
Onststaan kiemen v disloc arme kristallen
Defectvrije (lagere energie) kristallen groeien ten
koste van koudvervormde (herstelde) matrix
Proces loopt tot volledig nieuwe korrels
Langgerekte -> gelijkassige korrels
Stolling meestal niet als bol maar als
dendriet
Preferentiële groei in 1 richting
Zijtakken: secundaire dendrietarmen
Mogelijks ook segregatie in dendriet
Mechanisch
Waarnemen
Dendrieten
Microscopisch
Elastische E opgeslagen in de disloc i d koudvervormde matrix
Benaderling elastische E: Edis = 0.5Gb²
E per eenheidsvolume
In de vorm van
Fictieve kracht per opp
Drijvende kracht
Door vervormingsversteviging
Dislocatiedichtheid: totale lijnlengte / volume
Verschil in gestockeerde disloc E aan beide kanten v korrelgrens
Drijvende kracht
Groei nieuwe korrels in vervormde matrix
Gemak waarmee een atoom
over de korrelgrens springt
Korrelgrensmobiliteit
Activatie-E nodig
Afhankelijk van zuiverheid
en orientatieverschil
Arbeid
Rekristallisatie
Plastische vervorming bij metalen
=> warmtebehandeling om
eigenschappen te herstellen
Mobiliteit
Processen
Herstel
Rekristalliseren
Korrelgroei
Normale korrelgroei
In structuur met fijne
precipitaten
Groei korrels
Voor grensenergie en hoeken: ~sinusregel
Rechte korrelgrenzen =>
regelmatige zeshoeken
Opnieuw afgave vervormingsenergie =>
vermindering dislocatiedichtheid
Vloeigrens, sterkte, hardheid nemen toe
Vervormbaarheid zal herstellen
Globale kinetica
Wiskundige beschrijving: avrami vgl
<6 zijden: convex
>6 zijden: concaaf
Sterker
Maar ook minder vervoormbaar
Omgezet in warmte+vervormingsenergie
Vastgelegd in vermeerdering dislocatiedichtheid
Snelheid ~ neiging tot rekristalliseren
Fractie gerekristalliseerd materiaal ifv tijd = sigmoidaal
Hogere T => hogere mobiliteit
Drijvende kracht: verlaging korrelgrensenergie
Korrelgroei veel trager dan rekristallisatie
Globale samenstelling X
Stolling: samenstelling vaste
fase op T2 armer aan B
Verandering v samenstelling door
opname van A uit de vloeistof
Afkoeling voldoende traag => evenwichtig
Snelle afkoeling =>
Geen tijd voor diffusie
concentratiegradient binnen korrels
Laatste vl oeistof stolt op lagere temp
(statische) rekristallisatie bij T>0.3-0.5Tm
Verzachting
Verbetering vervormbaarheid
Concave groeien
Convexe verdwijnen
Temp waarbij vloeistof invriest
Vloeistof is zeer visceus bij Tg
Ondergrens voor kri stalgroei
Metalen: hoog kristallisatievermogen
Per materiaalklasse
Keramieken/kunststoffen: goede
glasvormers
Glasvorming
Herstel start tijdens koudvervorming
Celwanden
Structuur na vervorming
Subkorrels bij zeer hoge mobiliteit
Microscopisch moeilijk (geen vormverandering v korrels)
Zachter
Mechanisch testen
Minder bros
Zeer snel afkoelen =>
austeniet -> martensiet
(niet-evenwichtsfase)
Gedeeltelijke onderdrukking
austeniet naar perliet
Volledige omzetting
Zeer fijn perliet bij matige koeling
austeniet naar perliet
Vrij grof perliet bij trage koeling
Afkoelgebieden staal
Microstructurele transformaties
Annihilatie en celwandvorming
Subkorrelvorming en groei
Direct subkorrelgroei bij zeer hoge mobiliteit
Optimale T
Transformatietijd
Handig maar industrieel weinig relevant
Vervormingsversteviging
bij koudvervorming
Statisch herstel
Hogere T: dislocaties kunnen bewegen
Tijd-Temperatuur-Transitie
Graad van transformatie ifv t en T
Zeer snel koelen tot bepaalde T
Opstellen
Op die T isotherm nagloeien
Praktische informatie
Vermindering dislocatiedichtheid
Herschikking overblijvende disloc in energ stabielere config
Vorming: onderkoeling nodig => lage T
Groei: diffusi nodig => hoge T
Piek transformatiesnelheid tussen max
nucleatie en max groeisnelheid
Veel overlap => hoge snelheid
Geen overlap => toevoegen kiemvormers,
anders zeer trage kiemvorming
Globale tranformatiesnelheid
Toepassing: Carboneren van staal
Dislocatiedichtheid daalt
Andere disloc vormen celwanden
Verschil in samenstelling vloeistof <> kern
Bewegingsgemak atomen bepaalt snelheid
T-afh: snelheid recht evenredig met T
Diffusie gecontroleerde groei
Flux J hoeveelheid atomen die per tijd en opp doorheen wand stromen
Cfr wet v Ohm
Temperatuursafhankelijk
Arrheniusvgl
Mobiliteit neemt toe met T
Kleine interstitiële mobieler dan
We leiden af
substitutionele atomen
Hogere mobiliteit bij Fe in KRG tov KVG
Glas: slechte kiemvormer (te vlak)
Vinger/mentos: goede kiemvormer
Afhankelijk van
Lange molecuulketens
Diffusie van ketens zelf onwaarschijnlijk
Wel diffusie van kleinere atomen doorheen ketens
Algemeen: amorfe polymeren permeabeler dan kristallijne
Dislocatiedichtheid stijgt
=> 3D-netwerk
Oppervlakte energie weinig beïnvloed
DeltaG wel sterk afhankelijk
Vloeistof in contact met heterogeen oppervlak
Normaal minder energie nodig om kiem te vormen door
lagere oppervlakteenergie op heterogeen oppervlak
Kritische straal dezelfde als voor homogeen
Maar kleiner volume => minder atomen =>
grotere wrsheid dat kiem zich heterogeen vormt
Verhouding het/hom is functie vd bevochtigingshoek
Veel fijne druppels maar te licht om te vallen
Homogeen bevriest water bij -40°C
Regen
Stofdeeltjes => heterogeen
Voorbeelden
bevriezen bij 0°C
Ook hier aanwezighei d puntdeffecten
essentieel, maar 2 soorten
Verplaatst alleen naar naburige vacature
op hetzelfde onderrooster
Wringt buurionen uit elkaar
Mobiliteit kationen groter dan anionen
(kleinere diameter)
Kiem veroorzaakt
eerst toename energie
Barrière
Bij bepaalde straal bereikt DeltaG maximum
Temp heeft invloed
2 soorten atomen
Atomen trillen door thermische agitatie
Wisselen van plaats
Verplaatsing door
Vacaturemechanisme
Interstitieel springen
Anionisch
Kationisch
Posi tieve term sti jgt initieel
meer dan negatieve
Korrelgroei
Discontinue korrelgroei
Daaropvolgende warmtebehandeling
Eens voltooid, verdere verlaging E?
Korrelstructuuur in 2D
Vastpinning korrelgrenzen door precipitaten
Normale korrelgroei stopt
Precipitaten kunnen geheel
in oplossing gaan
Op plaatsen waar ze sneller
oplossen plotse lokale korrelgroei
Inhomogene structuur met lokaal zeer grote korrels
E verlaging door naar
middelpunt groeien
Technisch bel ang
Processing: gietblok door warm en koud vervormen omgevormd tot halffabrikaat
Disloc dichtheid
Mechanische eigenschappen bepaald door
Korrelgrootte
=> herstel, rekristallisatie en korrelgroei
Controle korrelgrootte door wetmatigheden
C:\Users\Joren\Documents\Microstructurele transformaties.mmp - 13/06/2011 - Joren Verspeurt - [email protected]
Grootte na statische rekristallisatie ~ 1/voorgaande vervorming
~ grootte voor rekristallisatie
~T