Chapter 14 - Fasentransformaties

Question 1

Waarom spreken we in de materiaalkunde niet over aggregatietoestanden maar over fasen?

Answer 1

Omdat men binnen een aggregatietoestand meerdere fasen (meerdere kirstalvormen) heeft (voor ijzer bv. austeniet en ferriet)

Question 2

Wat zijn zuivere materialen? Geef 3 voorbeelden.

Answer 2

Materialen die maar uit 1 component bestaan.

• Zuiver Al2O3 (keramisch)
• Zuiver koper (metaal)
• Zuiver PE (polymeer)

Question 3

Wat zijn binaire materialen? Geef 3 voorbeelden.

Answer 3

Materialen die uit 2 componenten bestaan.

• Messing (Cu en Zn)
• WC en Co (keramisch, metaal respectievelijk) –> Dit is een hardmetaal

Question 4

Wat zijn materialen met meerdere componenten?

Answer 4

Komt voor bij metaallegeringen.

Question 5

Hoe vinden we het gewichtspercentage (ook wel als gewichtsfractie (/100%)) [en analoog ook de atoomfractie en volumefractie?]

Answer 5

g_a = G_a/G_tot
Hierin is G_a het gewicht van stof a en G_tot = G_a + G_b
Analoog voor n_a en V_a

Question 6

Wanneer worden gewichtsfracties, atoomfracties en volumefracties respectievelijk meestal gebruikt?

Answer 6

• industrie (makkelijk af te wegen)
• Theoretische berekeningen
• Compositiematerialen berekenen

Question 7

Wat is het verband tussen de gewichtsfracties, atoomfracties en volumefracties?

Answer 7

• In de gewichtsfractie kunnen we G_a schrijven als m_aN_a/N_A (met N_A is getal van avogadro). De N_a is de atoomfractie. Als we in de formule van de atoomfractie de noemer naar de andere kant brengen dan hebben we (m_an_a)/(m_an_a+m_bn_b)
• We kunnen ook het gewicht vervangen door rho*V en dan hebben we ook een verband met de volumefracties.

Question 8

Wat is een fase?

Answer 8

Een materiaalvolume dat homogeen…

• is van samenstelling
• is van fysische opbouw (bepaald type kristal of amorf)
• is van eigenschappen

Question 9

Komt een fase altijd alleen voor?

Answer 9

Nee, bv. bij vezelversterkte kunststoffen is dit soms gewenst.

Question 10

Wat bepaald de sterkte onder een trekproef of drukproef bij meerdere materialen?

Answer 10

De cohesie van de verschillende fase, dus hoe ze aan elkaar verbonden zijn.

Question 11

Wanneer is een materiaal in evenwicht?

Answer 11

Als het aantal fasen en de samenstelling van een materiaal constant blijven in de tijd. Op voorwaarde dat de evenwichtsfactoren zoals P en T gelijk blijven.

Question 12

Wat zijn de externe evenwichtsfactoren?

Answer 12

De temperatuur van het materiaal en druk van de omgeving.

Question 13

Wat zijn de interne evenwichtsfactoren?

Answer 13

De samenstelling van elke fase.

Question 14

Door wat wordt de samenstelling van de fasen weergeven?

Answer 14

Gewichtsfractie, atoomfractie, volumefractie.

Question 15

Wat is de fasenregel van Gibbs?

Answer 15

V = C + N - F
met V = aantal vrij te kiezen evenwichtsfactoren (ook wel vrijheidsgraad)
C = aantal componenten
N = aantal externe factoren (1 indien er geen gasfase aanwezig is)
F = aantal fasen

Question 16

Wat is een vrijheidsgraad?

Answer 16

Aantal vrij te kiezen evenwichtsfactoren

Question 17

Wat kunnen we zeggen over de vrijheidsgraad van een zuivere stof?

Answer 17

Voor een zuivere stof is er maar 1 component, dus C = 1. Dan kunnen er maar 2 gevallen zich voor doen:

• V = 1 en dus T vrij te kiezen BINNEN HET INTERVAL waarin het eenfasig voorkomt; als er maar 1 fase aanwezig is.
• V= 0 en dus T staat vast als er 2 fasen aanwezig zijn = tijdens faseovergang. Dit is maar tijdelijk want de er is 1 fase aan het verdwijnen

Question 18

Schets de grafiek van Fe

Answer 18

//

Question 19

Waarom kan 3-fasenevenwicht niet?

Answer 19

Dan zou de vrijheidsgraad lager zijn dan 0 bij een zuivere stof. V = 2 - F –> V = 2-3 = -1. Kan niet

Question 20

Leg uit hoe je een T-samenstellingsdiagram tekent of afleest.

Answer 20

• Alle eenfasige zuivere stoffen: verticale lijn
• Alle eenfasige binaire materialen: bepaald gebied
• Tweefasige stoffen: eenfasige en tweefasige alterneren steeds in de horizontale richting.
  Grenzend aan de verticale assen is er steeds een eenfasige stof.
  -Driefasige stoffen komen voor als horizontale lijn in het diagram

Question 21

Wat is een intermediaire vaste oplossing?

Answer 21

Soms wordt er bij hogere percentages toch 1 fase gevormd.

Question 22

Waarom streeft een materiaal naar de evenwichtstoestand?

Answer 22

Omdat dit thermodynamisch gezien de gunstigste is.

Question 23

Hoe komt het dat er ook materialen voorkomen die niet in de evenwichtstoestand zitten?

Answer 23

Het materiaal moet voldoende traag afkoelen om die evenwichtstoestand te bereiken.

Question 24

Wat is de afkoelsnelheid?

Answer 24

dT/dt: de temperatuursverandering per infinitesimale tijdseenheid

Question 25

Wat is een meta-stabiele toestand?

Answer 25

Heel wat keramieken vereisen een zeer trage afkoelsnelheid, gewoon laten afkoelen op kamertemperatuur kan al te snel zijn. Er wordt dan een amorf glas gevormd. We verkrijgen een niet-evenwichtstoestand die toch stabiel is. Deze toestand wordt meta-stabiel genoemd.

Question 26

Hoe gebeurt een fasetransformatie?

Answer 26

Eerst worden er kiemen gevormd die dan verder uitgroeien.

Question 27

Wat is een kiem?

Answer 27

Een klein deeltje van de te vormen fase dat kan groeien tijdens de fasetransformatie om zo tot te gewenste fase te komen.

Question 28

Wat is de kritische grootte van een kiem per definitie?

Answer 28

De kiem moet een bepaalde grootte hebben, anders ontbindt deze terug.

Question 29

Wat is de kiemvormsnelheid?

Answer 29

dN/dt: het aantal kiemen die ontstaan per tijdseenheid in een bepaald volume.

Question 30

Door wat wordt de kiemsnelheid bepaald?

Answer 30

• Grotere onderkoeling = meer thermodynamisch instabiel en dus meer kiemvorming.
• De temperatuur: om een kiem te vormen moeten bouwstenen diffunderen naar een bepaalde plaats. Als we bij een lage onderkoeling zitten dan zitten we te dicht bij de ene fase en is er veel tijd nodig om bij deze temperatuur kiemen te vormen. Bij te lage temperatuur gebeurt de diffusie te traag en duurt het ook lang. De sweet spot is ertussenin

Question 31

Teken de grafiek van T-(dN/dt)

Answer 31

//

Question 32

Door wat wordt de kiemgroei bepaald?

Answer 32

Enkel door diffusie

Question 33

Wat is homogene en wat is heterogene kiemvorming?

Answer 33

Homogene: geen voorkeurplaatsen voor kiemvorming

Heterogene: Wanneer er wel voorkeurplaatsen zijn. Dit is meestal het geval.

Question 34

Wat zijn entplaatsen?

Answer 34

De voorkeurplaatsen voor kiemvorming, dit is op plaatsen waar er een andere vaste stof zit. Zoals de wand van het vat waar het in zit.

Question 35

Hoe groeien de kiemen?

Answer 35

Ze vormen een dendrietpatroon.

Question 36

Wat kunnen we zeggen over het feit dat er dendrietpatronen gevormd worden?

Answer 36

Het is anisotroop (niet in alle richtingen dezelfde eigenschappen of snelheden). Anders zouden de kristallen bolvormig zijn.

Question 37

Waaruit bestaan zulke dendrieten?

Answer 37

Het bestaat uit een hoofdtak met zijtakken die ook weer kunnen vertakken.

Question 38

Hoe gebeurt dit proces.

Answer 38

Als 2 dendrieten elkaar raken stopt de groei en dan stolt het materiaal tussen de dendrietarmen. Uit elke dendriet ontstaat dan een korrel.

Question 39

Wat is nog een factor die de groei bepaalt?

Answer 39

Warmteafvoer: ze hebben de neiging om het snelst uit te groeien in de richting waar de warmte het snelst weggaat (dit is vaak loodrecht op de wand.)

Question 40

Wat zijn stengelkristallen?

Answer 40

Wanneer de warmte in een bepaalde richting zeer snel kan worden afgevoerd, zoals bv. door metaal bij lassen, zullen de kirstallen in die richting sterk groeien en krijgt men langwerpige korrels.

Question 41

Kan er ook diffusieloze faseverandering gebeuren?

Answer 41

Zeker. Bv. gehard staal: het gamma-staal wordt heel snel afgekoeld waardoor er geen tijd is voor kiemvorming. Op een bepaalde temperatuur klapt de gamma rooster om naar een martensietrooster