Chapter 13 - Diffusion and powder-based processes

Question 1

Waarom kan smelten niet echt gebruikt worden om kristallijne keramieken te vormen?

Answer 1

Hiervoor zouden economisch onhaalbaar TRAGE afkoelsnelheden nodig zijn.

Question 2

Wat voor proces kunnen we gebruiken om bepaalde thermohardende kunststoffen te maken? (e.g. epoxy resin) Geef nog een voorbeeld

Answer 2

Chemische reacties: een vloeistof met relatief eenvoudige moleculen reageert chemisch tot een stabiele vaste stof. Bv. Mortel en beton.

Question 3

Kan een chemische reactie gebruikt worden voor keramieken?

Answer 3

Nee

Question 4

Wat is een wel een methode die gebruikt kan worden voor keramieken?

Answer 4

Sinteren: Men vertrekt van een fijngemalen poeder (voor bakstenen is dit klei). Dit poeder wordt dan samengeperst met water (en zand voor bakstenen) zonder chemische reactie. Dit wordt dan gedroogd en gebakken in een oven. De smelttemperatuur wordt niet bereikt.

Question 5

Waarom zijn bakstenen zo hard?

Answer 5

Tijdens het sinteren gebeurt er een mechanisme dat verantwoordelijk is voor de sterkteontwikkeling. Dit noemt men diffusie.

Question 6

Wat is diffusie?

Answer 6

Vorm van materiaaltransport door beweging op atomaire of moleculaire schaal.

Question 7

Hoe kunnen atomen en moleculen door een vaste stof bewegen (diffunderen)?

Answer 7

Door thermische energie toe te voegen verandert de gemiddelde positie van atomen. Daarbij komt dat het bij hogere temperatuur ook makkelijker is om de verbinding tussen naburige atomen te verbreken. Als de plaats waar het naartoe wil gaan energetisch stabiel is kan een atoom of molecule zich doorheen de stof diffunderen.

Question 8

Waarom gebeurt diffusie zelden in een perfect kristalrooster?

Answer 8

Omdat hier geen energetisch stabiele nieuwe posities zijn. Het mechanisme maakt dus gebruik van de roosterfouten.

Question 9

Wat is autodiffusie?

Answer 9

Wanneer een atoom van het rooster zich verplaatst op de roosterposities.

Question 10

Wat is interdiffusie?

Answer 10

Wanneer een vreemd atoom zich doorheen het rooster verplaatst.

Question 11

Wat is vacaturediffusie?

Answer 11

Een mechanisme dat zowel kan bij autodiffusie als interdiffusie: er is een vacatureplaats vrij. Het atoom verplaatst zich naar daar en de vacaturepositie komt vrij.

Question 12

Wat is de temperatuursafhankelijkheid van vacaturediffusie? (formule)

Answer 12

N_v = N * e^(-(E_v)/(k_B*T))

Question 13

N_v = N * e^(-(E_v)/(k_B*T)) : Wat betekenen alle parameters? Hoe noemt men deze vergelijking?

Answer 13

N_v = aantal vacatures
N = aantal atoomplaatsen
e = eulergetal
E_v = activatie energie
k_B = Boltzmann constante
T = temperatuur
Arrheniusvergelijking.

Question 14

Wat zijn interstitiële atomen?

Answer 14

Atomen die klein genoeg zijn om tussen de holtes in het rooster bewegen. Deze atomen zijn B,N,O,C,H. Hun kleine grootte maakt ze ook veel stabieler

Question 15

Wat is de diffusieflux?

Answer 15

De diffusieflux J is de massa m aan atomen die zich verplaatst door een oppervlak a gedurende een tijd t:
J = m / (A*t)
Wanneer dit constant is kan men zeggen voor 1 richting dat:
J = -D * (dC / dx)
Met dC/dx = concentratiegradient (deze formule staat op formularium)

Question 16

De eerste wet van Fick is?

Answer 16

J = - D * (dC / dx)

Of in veralgemeende 3D vorm: J = - D * ∇C

Question 17

De tweede wet van Fick is?

Answer 17

Deze wordt vaker gebruikt omdat meestal de flux niet constant is (deze formule staat op het formularium) –>

(𝜕𝑐_𝑥/𝜕𝑡) = 𝐷 * (𝜕²𝑐_𝑥)/𝜕𝑥²

Question 18

Geef de temperatuursafhankelijkheid van de diffusiecoëfficiënt D.

Answer 18

D = D_0 * e^(E_d/R*T)
D_0 = diffusieconstante op T = oneindig 
E_d = activeringsenergie voor diffusie

Question 19

Waarom hebben FCC een lagere coëfficiënt dan BCC?

Answer 19

Simpelweg omdat FCC dichter gepakt is en dus minder plaats heeft voor diffusie

Question 20

Wat zijn alle beïnvloedende factoren van de diffusiesnelheid?

Answer 20

Soort rooster

Grootte van de diffunderende atomen dus het soort diffusie

Temperatuur

Aantal korrelgrenzen

Question 21

Wet van Hall & Petch:

Answer 21

Dat de sterkte afhankelijk is van de korreldiameter:

σ_y = σ_0 + k_y/sqrt(d)

Question 22

Wat betekenen de parameters van:

σ_y = σ_0 + k_y/sqrt(d)

Answer 22

σ_y = Elasticiteitsgrens
σ_0 = constante bepaald door de spanning waarbij dislocaties bewegen
k_y = verstevigingscoëfficiënt
d = gemiddelde korreldiameter

Question 23

Hoe gebeurt allotrope transformatie van austeniet (gamma) (FCC) naar ferriet (alfa) (BCC)?

Answer 23

Op de korrelgrenzen kunnen er bij afkoeling atomen diffunderen ter vorming van een BCC. Dit vormt nieuwe korrels waar op de grenzen steeds opnieuw gediffundeerd kan worden. Als dit proces gedaan is hebben we korrels die kleiner zin dan de oorspronkelijke gamma (FCC) korrels. Dit bevoordeeld de sterkte.

Question 24

Wat zijn Cottrell ruimtes?

Answer 24

C atomen kunnen doorheen de interstitiële ruimtes bewegen, maar deze ruimtes zijn vaak net iets kleiner dan de C-atomen, waardoor ze ijzeratomen een beetje opzij moeten duwen. Op bepaalde plaatsen zijn grotere gaten (vanwege dislocatie) en C-atomen hebben de neiging om daarheen te diffunderen. Deze ruimtes waar de C-atomen zich kunnen zetten noemt men Cottrell ruimtes/

Question 25

Wat zijn Lüders banden?

Answer 25

Een C-atoom in zo’n Cottrell ruimte betekent dat het moeilijker is om deze dislocaties in beweging te brengen. Maar eens zo’n dislocatie in beweging is gebracht dan beweegt ze zelfs gemakkelijker. Dit zorgt voor een niet-homogene vervorming en een onderste en bovenste vloeigrens. Dit is soms met het blote oog te zien als bepaalde strepen in het materiaal. Dit zijn de Lüders banden.

Question 26

Wat zijn intrinsieke halfgeleiders?

Answer 26

Een stof waarbij het zogenaamde Fermi-niveau tussen twee energiebanden in ligt en waarbij het gebied tussen deze banden (de verboden zone) niet veel breder is dan de thermische energie van de elektronen. Het aantal gaten en elektronen is hier gelijk. Dit is sterk temperatuursafhankelijk.

Question 27

Wat zijn extrinsieke halfgeleiders?

Answer 27

Gedopeerde halfgeleiders, het aantal elektronen en gaten is hier niet meer gelijk.

Question 28

Wat is het proces voor het maken van kristallijne keramieken zoals bakstenen?

Answer 28

3 stappen:

1. Produceren van het poeder: fijnmalen of via complexe processen (keep in mind dat fijnmalen niet zo eenvoudig is als het lijkt, keramieken zijn namelijk erg hard)
2. Vormgeving tot “green body”; heeft wel al de juiste vorm maar nog niet de sterkte, dit kan droog of nat gebeuren.
3. Sinterproces (sterk maken)

Question 29

Wat zijn de 2 mogelijkheden bij het vormgeven van kristallijne keramieken?

Answer 29

• Droog: hierbij gebruikt men zeer hoge drukken om het poeder droog in de juiste vorm te krijgen en houden. Het nadeel is de nood aan zeer hoge drukken
• Nat: hier gebruikt men een vloeistof als binder. Deze moet dan na het vormgeven verwijderd worden. Een voordeel is dat het relatief eenvoudig gebeurt, het nadeel is dat het drogen of verwijderen van binder te veel krimping kan veroorzaken.

Question 30

Hoe gebeurt droge vormgeving op korrelniveau en sintering?

Answer 30

De green body heeft zeer veel vrije oppervlakken. De energie is het hoogst aan deze vrije oppervlakken. Door samenpersen worden vrije oppervlakken samengeduwd. Als er dan verwarmd wordt (sintering), dan gebeurt er diffusie tussen verschillende korrels en dit zorgt ervoor dat er vrij oppervlak verdwijnt. Dit komt door de verlaging van inwendige energie. Sinteren bij hoge druk betekent dat er minder gaten zullen zijn wat nuttig is voor verschillende toepassingen zoals remschijven.

Question 31

Waarom worden metalen zelden via sintering gevormd?

Answer 31

Dit is wel mogelijk, maar het is duurder en omslachtiger dan de traditionele processen.

Question 32

Wanneer wordt sintering op metalen toegepast?

Answer 32

• Wanneer men 2 metalen met een hoog verschil in dichtheid wil combineren. Via gietprocessen zou het zwaardere metaal zinken en dus niet homogeen verdeeld worden.
• 2 niet-legeerbare metalen (zie later hoofdstuk)
• Hardmetalen: harde keramische deeltjes met kobaltpoeder. Deze worden gebruikt voor snijgereedschappen en walsrollen. Waarvoor hele harde metalen voor nodig zijn.

Question 33

Hoe werkt 3D-printing van metalen?

Answer 33

Hier vertrekt men ook via een poeder dat laagje per laagje tot een bepaalde structuur wordt gelaserd. Zie foto