D9: Materiaalstructuren

D9: Materiaalstructuren

A. Brokmet medewerking van F. Konst & J. Kamphuis

Versie April 2011www.broksite.tk

D9000 Menu Materiaalstructuren

Inleiding

IJs -Water - Stoom

Diagram Cd - Bi

Diagram Cu - Ni

Diagram Pb - Sn

Diagram Fe - Fe3C

Samenvatting

D9010 Inleiding 1

Materiaalstructuur

Ongelegeerd Gelegeerd

Mechanische eigenschappen

Fysische eigenschappen

Chemische eigenschappen

D9011 Inleiding

Opbouw metalen

Atomen

Grondcel

Kristal

Kristalstructuur

D9510 Diagram Fe - Fe3C 1

KRG (Ferriet)

KVG (Austeniet)

HEX (Titanium)

Grondcellen

(9 Fe-atomen Kubisch Ruimtelijk Gecentreerd) (14 Fe-atomen

Kubisch Vlakken Gecentreerd) (14 Ti-atomen

Hexagonaal)

D9020 Inleiding 2

Ongelegeerde metalen worden in de werktuigbouwkunde zelden toegepast. (uitzondering staal)

Ze zijn te zwak en te zacht.

Legeren

Door toevoegen van bepaalde legeringselementen kunnen eigenschappen worden verbeterd

Bijv. treksterkte, rekgrens,corrosiebestendigheid,smelttemperatuur.

D9030 Inleiding 3

Door toevoeging van legeringselementen verandert de structuur van een metaal.

Legeren

De mate van verandering van structuur en eigenschappen hangt af van:

• soort legeringselement,

• hoeveelheid (massapercentage).

Belangrijk gegeven: oplosbaarheid legeringselementen

Legeringselementen in vaste toestand niet in elkaars rooster oplosbaar

Legeringselementen in vaste toestand volledig in elkaars rooster oplosbaar

Legeringselementen in vaste toestand gedeeltelijk in elkaars rooster oplosbaar

Plaats van de atomen

Op de plaats van = substitutie

Op de plaats van = substitutie

Er tussen= interstitie

Hoe groter de roosterverstoring door de legeringsatomenHoe hoger de inwendige spanningen in het metaalHoe hoger sterkte en hardheid.

Stolling van een zuiver element

D9040 Inleiding 4 Legeringen

Legeringselementen niet in elkaars rooster oplosbaar (Cadmium - Bismut)

Legeringselementen volledig in elkaars rooster oplosbaar (Koper - Nikkel)

Legeringselementen gedeeltelijk in elkaars rooster oplosbaar (Lood - Tin)

Zuiver Cd

Zuiver Bi

70% Cu30% Ni

Zuiver Sn98% Pb2% Sn

mengkristallen

mengkristallen

D9050 Smelt- en stolgedrag

Zuivere stof WATER

T 0° C

T = 0° C

0 T 100° C

T = 100° C

T > 100° C

Vast (ijs)

Brij (ijs + water)

Vloeibaar (water)

Kookpunt (water + stoom)

Damp (stoom)

D9100 IJs - Water - Stoom 1

0 T 100° C water

T 100° C stoom

T 0° C ijs

D9110 IJs - Water - Stoom 2

Haltepunt 1: ijs water

Haltepunt 2: water stoom

D9120 IJs - water - stoom 3

Stoom

Stoom water

Water

Water ijs

IJs

D9200 Inleiding Bi - Cd Legeringen

Legeringselementen niet in elkaars rooster oplosbaar (Cadmium - Bismut)

Legeringselementen volledig in elkaars rooster oplosbaar (Koper - Nikkel)

Legeringselementen gedeeltelijk in elkaars rooster oplosbaar (Lood - Tin)

Zuiver Cd

Zuiver Bi

D9210 Diagram Cadmium - Bismut 1

Vloeistof (L)

Cd + L Bi + L

Vast (Cd + Bi)

D9212 Toetsscherm

Vraag 1

Boven de lijn A-B-C bestaat de massa uit: Bi-kristallen in vloeistof� Cd-kristallen in vloeistof � Vaste Cd en Bi -kristallen� Vloeibare Cd en Bi � *

Vraag 2

In het gebied B-C-E bestaat de massa uit: Bi-kristallen in vloeistof � * Cd-kristallen in vloeistof � Vaste Cd en Bi -kristallen� Vloeibare Cd en Bi�

Vraag 3

Onder de lijn D-B-E (146°C) bestaat de massa uit: Bi-kristallen in vloeistof� Cd-kristallen in vloeistof � Vaste Cd en Bi -kristallen � * Vloeibare Cd en Bi�

Beantwoord de volgende vragen

D9220 Diagram Cadmium - Bismut 2

T

t

260°

146°

kamertemperatuur

D9230 Diagram Cadmium - Bismut 3

T

t

240°

146°

kamertemperatuur

D9240 Diagram Cadmium - Bismut 4

T

t

146°

kamertemperatuur

D9242 Toetsscherm

Vraag 4

Bij de eutectische samen-stelling begint de stolling op: 321 °C� 271 °C� 150 °C� 146 °C � *

Vraag 5

De eutectische samenstelling vertoont een: Stolpunt waarop grote Cd- en Bi-kristallen ontstaan.� Stolpunt waarop kleine Cd- en Bi-kristallen ontstaan. � * Stoltraject waarover steeds meer grote Cd- en Bi-kristallen ontstaan.� Stoltraject waarover steeds meer kleine Cd- en Bi-kristallen ontstaan.�

Beantwoord de volgende vragen

D9250 Diagram Cadmium - Bismut 5a80% Cd20% Bi

100% Cd

S L

50% Cd50% Bi

30

50Aandeel vast (S)

30 / 50 60%

D9251 Diagram Cadmium - Bismut 5b80% Cd20% Bi

100% Cd

S L

50% Cd50% Bi

2050Aandeel vast (S)

30 / 50 60%

Aandeel vloeibaar (L)

20 / 50 40%

D9252 Diagram Cadmium - Bismut 5c80% Cd20% Bi

100% Cd

100% Cd S L

50% Cd50% Bi

41% Cd59% Bi

39

59

Aandeel vast (S)

39 / 59 66,1 %

D9253 Diagram Cadmium - Bismut 5d80% Cd20% Bi

100% Cd

100% Cd S L

50% Cd50% Bi

41% Cd59% Bi

20

59

Aandeel vast (S)

39 / 59 66,1 %

Aandeel vloeibaar (L)

20 / 59 33,9 %

D9254 Diagram Cadmium - Bismut 5e80% Cd20% Bi

100% Cd

100% Cd

S2

50% Cd50% Bi

41% Cd59% Bi

40

60

100% Cd

40% Cd60% Bi Aandeel vast 1 (S1)

40 / 60 66,66 %

S1

D9255 Diagram Cadmium - Bismut 5f80% Cd20% Bi

100% Cd

100% Cd

50% Cd50% Bi

40% Cd60% Bi

20

60

100% Cd

40% Cd60% Bi Aandeel vast 1 (S1)

40 / 60 66,66 %Aandeel vast 2 (S2)20 / 60 33,33 %

D9256 Toetsscherm

Vraag 6

Op ca. 230 °C begint: de stolling van Bi� de stolling van Cd � * de stolling van Bi en Cd� de stolling van mengkristallen�

Vraag 7

Op 200 °C bestaat de massa uit: 25% Bi-kristallen en 75% vloeistof� 25% Cd-kristallen en 75% vloeistof � * 75% Bi-kristallen en 25% vloeistof� 75% Cd-kristallen en 25% vloeistof�

Vraag 8

Op 150 °C bestaat de massa uit: Bi-kristallen in vloeistof� Cd-kristallen in vloeistof � * Vaste Cd en Bi -kristallen� Vloeibare Cd en Bi�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

D9257 Toetsscherm

Vraag 9

Op 150 °C bestaat de vloeistof uit: 41% Bi en 59% Cd.� 59% Bi en 41% Cd. � * 50% Bi en 50% Cd.� 60% Bi en 40% Cd.�

Vraag 10

Op 140 °C bestaat de structuur uit: 50% grote Cd-kristallen en 50% kleine Cd - en Bi-kristallen � * 60% grote Cd-kristallen en 40% kleine Cd - en Bi-kristallen� 70% grote Cd-kristallen en 30% grote Bi-kristallen� 50% kleine Cd-kristallen en 50% grote Cd - en Bi kristallen�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

D9300 Inleiding Cu - Ni Legeringen

Legeringselementen niet in elkaars rooster oplosbaar (Cadmium - Bismut)

Legeringselementen volledig in elkaars rooster oplosbaar (Koper - Nikkel)

Legeringselementen gedeeltelijk in elkaars rooster oplosbaar (Lood - Tin)

Zuiver Cd

Zuiver Bi

70% Cu30% Ni

mengkristallen

D9310 Diagram Koper - Nikkel 1

Vloeistof (L)

Vast CuNi -mengkristallen

CuNi mengkr. + L

D9320 Diagram Koper - Nikkel 2a

T

t

1230°

1110°

kamertemperatuur

D9322 Diagram Koper - Nikkel 2b

80% Cu20% Ni

SL

60% Cu40% Ni

90% Cu10% Ni

Aandeel vast (S)10 / 30 33,33 %

Aandeel vloeibaar (L)20 / 30 66,66 %

1100

1200

1160

D9324 Diagram Koper - Nikkel 2c

80% Cu20% Ni

60% Cu40% Ni

90% Cu10% Ni

80% Cu20% Ni

100% mengkristallen CuNi

1050

D9330 Diagram Koper - Nikkel 3

T

t

1405°

1290°

kamertemperatuur

D9332 Toetsscherm

Vraag 11

Op 1300 °C bestaat de massa uit: Cu- en Ni-kristallen in vloeistof� Ni-kristallen in vloeistof� CuNi-mengkristallen � CuNi-mengkristallen in vloeistof � *

Vraag 12

Op 1200 °C bestaat de vaste stof uit: 50% Cu- en 50% Ni-kristallen � mengkristallen met 50% Cu en 50% Ni � * 85% Cu- en 15% Ni-kristallen � mengkristallen met 85% Cu en 15% Ni�

Vraag 13

Op 1200 °C bestaat de vloeistof uit: 28,6% Cu en 71,4% Ni� 50% Cu en 50% Ni� 71,4% Cu en 28,6% Ni� 85% Cu en 15% Ni � *

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

D9333 Toetsscherm

Vraag 14

Op 1200 °C bestaat de massa uit: 28,6% vaste stof en 71,4% vloeistof.� 50% vaste stof en 50% vloeistof.� 71,4% vaste stof en 28,6% vloeistof. � * 85% vloeistof en 15% vaste stof.�

Vraag 15

De soliduslijn wordt gepasseerd op ca.: 1083 °C. � 1168 °C. � * 1324 °C. � 1453 °C. �

Vraag 16

Onder 1100 °C koelen de mengkristallen (60% Cu + 40% Ni) verder af. � * koelen de mengkristallen (50% Cu + 50% Ni) verder af.� scheiden de mengkristallen tot 1183 °C nog Cu uit.� scheiden de mengkristallen tot 1183 °C nog Ni uit.�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

D9400 Inleiding Pb - Sn Legeringen

Legeringselementen niet in elkaars rooster oplosbaar (Cadmium - Bismut)

Legeringselementen volledig in elkaars rooster oplosbaar (Koper - Nikkel)

Legeringselementen gedeeltelijk in elkaars rooster oplosbaar (Lood - Tin)

Zuiver Cd

Zuiver Bi

70% Cu30% Ni

Zuiver Sn

98% Pb2% Sn

mengkristallen

mengkristallen

D9410 Diagram Lood - Tin 1

Vloeistof (L)

Pb Sn + LSn + L

PbSn

Vast

D9420 Diagram Lood - Tin 2

T

t

225°

183°

kamertemperatuur

D9430 Diagram Lood - Tin 3

T

t

183°

kamertemperatuur

D9440 Diagram Lood - Tin 4

T

t

265°

183°

kamertemperatuur

D9450 Diagram Lood - Tin 5

T

t

305°

145°

kamertemperatuur

255°

D9452 Toetsscherm

Vraag 17

Op 225 °C bestaat de massa uit: Pb- en Sn-kristallen in vloeistof� Pb-kristallen in vloeistof� PbSn-mengkristallen � PbSn-mengkristallen in vloeistof � *

Vraag 18

Op 200 °C bestaat de vaste stof uit: 50% Pb- en 50% Sn-kristallen � mengkristallen met 50% Pb en 50% Sn� 82% Pb- en 18% Sn-kristallen � mengkristallen met 82% Pb en 18% Sn � *

Vraag 19

Op 200 °C bestaat de vloeistof uit: 19% Sn en 81% Pb� 40% Pb en 60% Sn � * 60% Pb en 40% Sn� 62% Sn en 38% Pb �

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

D9460 Diagram Lood - Tin 6a70% Pb30% Sn

89% Pb11% Sn S

L64% Pb36% Sn

6

25

Aandeel vast (S)

6 / 25 24%

250

3070

1189

3664

D9461 Diagram Lood - Tin 6b70% Pb30% Sn

19

25

Aandeel vloeibaar (L)

19 / 25 76 %

89% Pb11% Sn

64% Pb36% Sn

SL

Aandeel vast (S)

6 / 25 24%

250

3070

D9462 Diagram Lood - Tin 6c70% Pb30% Sn

82% Pb18% Sn

S L

43% Pb57% Sn

27

39

Aandeel vast (S)27 / 39 69,2 %

89% Pb11% Sn

64% Pb36% Sn

250

3070

D9463 Diagram Lood - Tin 6d70% Pb30% Sn

12

39

Aandeel vloeibaar (L)12 / 39 30,8 %

89% Pb11% Sn

64% Pb36% Sn

43% Pb57% Sn

Aandeel vast (S)27 / 39 69,2 %

S L

82% Pb18% Sn

250

3070

D9464 Diagram Lood - Tin 6e70% Pb30% Sn

S2

32

52

90% Pb10% Sn

38% Pb62% Sn

Aandeel vast 132 / 52 61,5 %

S1

89% Pb11% Sn

64% Pb36% Sn

82% Pb18% Sn

43% Pb57% Sn

250

3070

D9465 Diagram Lood - Tin 6f

20

52

Aandeel vast 220 / 52 38,5 %

70% Pb30% Sn

89% Pb11% Sn

64% Pb36% Sn

82% Pb18% Sn

43% Pb57% Sn

90% Pb10% Sn

38% Pb62% Sn

Aandeel vast 132 / 52 61,5 %

250

3070

D9466 Diagram Lood - Tin 6g

S2

90% Pb10% Sn

38% Pb62% Sn

S1

250

3070

D9467 Diagram Lood - Tin 6h

S2

38% Pb62% Sn

S1

93% Pb7% Sn

250

3070

D9468 Diagram Lood - Tin 6j

S2

38% Pb62% Sn

S1

93% Pb7% Sn

Eutecticum

Mengkristallen: 93% Pb en 7% Sn

Zuivere Sn - kristallen

38/93 40,9%

55/93 59,1%

250

3070

Tot hier voor de toets van kwartiel 12

D9469 Toetsscherm

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

Vraag 20

Op 200 °C bestaat de massa uit:

19% vaste stof + 62% vloeistof��*47,6% vaste stof + 52,4% vloeistof 50% vaste stof + 50% vloeistof� 52,4% vaste stof + 47,6% vloeistof�

Vraag 21

Bij voortzetting van de afkoelproef blijft de temperatuur op 183 °C enige tijd gelijk omdat:

de stollingswarmte van het eutecticum moet wegvloeien � *� de stollingswarmte van de PbSn-mengkristallen moet wegvloeien de vorming van mengkristallen tijd nodig heeft� het eutecticum een stoltraject moet doorlopen�

D9500 Inleiding Fe - Fe3C

D9510 Diagram Fe - Fe3C 1

Vloeistof (L)

Austeniet (A)

A + L

Ferriet (F)Perliet (P) Cementiet (C)

F + A

F + P

M

A + C

P + C

T

[°C]

1,5%

Ongelegeerdstaal

D9520 Diagram Fe - Fe3C 2a

0,4

L

A L

A

A

F

P F

Austeniet

D9522 Toetsscherm

Vraag 22

In gebied A-E-C bestaat de massa uit: 100% Austenietkristallen� 100% vloeistof� Austenietkristallen in vloeistof � * Ferrietkristallen in vloeistof�

Vraag 23

In gebied P-S-G bestaat de massa uit: Austeniet- en Ferrietkristallen� * Austeniet- en Perlietkristallen� Ferriet- en Perlietkristallen� Ferriet- en Cementietkristallen�

Bestudeer het diagram en beantwoord de volgende vragen

Vraag 24

Onder lijn P-S bestaat de massa uit: Austeniet- en Ferrietkristallen� Austeniet- en Perlietkristallen� Ferriet- en Perlietkristallen � * Ferriet- en Cementietkristallen�

D9524 Toetsscherm

Vraag 27

IJzer met 0,8% koolstof heet: Austeniet� Cementiet� Ferriet� Perliet � *

Bestudeer het diagram en beantwoord de volgende vragen

M

Vraag 25

In gebied S-M-E bestaat de massa uit: Austeniet- en Cementietkristallen� * Austeniet- en Perlietkristallen� Ferriet- en Perlietkristallen� Ferriet- en Cementietkristallen�

Vraag 26

Onder lijn S-M bestaat de massa uit: Austeniet en Cementiet� Austeniet en Perliet� Ferriet en Perliet� Perliet en Cementiet � *

D9530 Diagram Fe - Fe3C 2b

0,4

LS

99,6% Fe0,4% C

0,22% C 0,59% C

Austeniet0,22% C

Vloeistof0,59% C

0,4% C

Aandeel vast0,19 / 0,37 51,3 %

Aandeel vloeistof0,18 / 0,37 48,7 %

0,19

0,37

0,18

0,37

D9531 Diagram Fe - Fe3C 2c

0,4

Austeniet0,4% C

D9532 Diagram Fe - Fe3C 2d

0,4

S1

Ferriet0% C

S2

Austeniet0,7% C

Aandeel Ferriet 0,3 / 0,7 42,9 %

Aandeel Austeniet 0,4 / 0,7 57,1 %

D9533 Diagram Fe - Fe3C 2e

0,4

S2 S1

Ferriet0% C

Perliet0,8% C

Aandeel Ferriet 0,4 / 0,8 50 %

Aandeel Perliet 0,4 / 0,8 50 %

D9534 Diagram Fe - Fe3C 2f

0,4

S2 S1

Ferriet0% C

Perliet0,8% C

Ferrietlamellen 5,86 / 6,66 88 %

Cementietlamellen 0,8 / 6,66 12 %

D9536 Toetsscherm

Vraag 28

Op 1450 °C bestaat de massa uit: 30% Austenietkristallen, rest vloeistof��*70% Austenietkristallen, rest vloeistof 100% Austenietkristallen� 40% Ferrietkristallen, rest vloeistof�

Vraag 29

Op 1450 °C bestaat het vaste deel uit: Austeniet met ca. 0,4% C� * Austeniet met ca. 0,6% C� Austeniet met ca. 1,0% C� Ferriet met ca. 0,6% C�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

Vraag 30

Op 900 °C bestaat de massa uit: Austeniet- en Ferrietkristallen� Austenietkristallen met 0,6% C � * Ferrietkristallen met 0,6% C� Ferriet- en Perlietkristallen�

1450

D9538 Toetsscherm

Vraag 31

Op 800 °C bestaat de massa uit: 100% Austeniet en 0 % Ferriet � * 86% Austeniet en 14% Ferriet� 75% Austeniet en 25% Ferriet� 75% Perliet en 25% Ferriet�

Vraag 32

Op 700 °C bestaat de massa uit: 12% Cementiet en 88% Ferriet� 86% Perliet en 14% Ferriet� 75% Austeniet en 25% Ferriet� 75% Perliet en 25% Ferriet � *

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

Vraag 33

Op 500 °C bestaat zuiver Perliet uit: 12% Cementiet en 88% Ferriet � * 88% Cementiet en 12% Ferriet� 6,66% Cementiet, rest Ferriet� Ferriet met 0,8% C�

D9540 Diagram Fe - Fe3C 3

1,1

L

A L

AAusteniet

A

C

P

C

D9550 Diagram Fe - Fe3C 4a

1,1

98,9% Fe1,1% C

Austeniet0,8% C

Vloeistof1,7% C

Aandeel Austeniet: 0,6 / 0,9 66,66 %

Aandeel vloeistof: 0,3 / 0,9 33,33 %

D9551 Diagram Fe - Fe3C 4b

1,1

Austeniet98,9% Fe1,1% C

Austeniet0,9% C

Cementiet6,66% C

Aandeel Austeniet: 5,56 / 5.76 96,5 %

Aandeel Cementiet: 0,2 / 5,76 3,5 %

D9552 Diagram Fe - Fe3C 4c

1,1

Austeniet0,9% C

Perliet0,8% C

Cementiet6,66% C

Aandeel Perliet: 5,56 / 5,86 94,8 %

Aandeel Cementiet: 0,3 / 5,86 5,2 %

Cementiet6,66% C

D9553 Toetsscherm

Vraag 34

Op 1350 °C bestaat de massa uit: 43% Austenietkristallen, rest vloeistof��*57% Austenietkristallen, rest vloeistof 100% Austenietkristallen� 57% Ferrietkristallen, rest vloeistof�

Vraag 35

Op 1350 °C bestaat het vaste deel uit: Austeniet met ca. 0,45% C� Austeniet met ca. 0,95% C � * Austeniet met ca. 1,4% C� Ferriet met ca. 1,0% C�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

Vraag 36

Op 1000 °C bestaat de massa uit: Austeniet- en Ferrietkristallen� Austenietkristallen met 1,0% C� Austenietkristallen met 1,4% C � * Ferriet- en Cementietkristallen�

D9554 Toetsscherm

Vraag 37

Op 850 °C bestaat de massa uit: 1,4% Austeniet, rest Cementiet� 90% Perliet, rest Cementiet� 90% Austeniet, rest Cementiet� 96% Austeniet, rest Cementiet � *

Vraag 38

Op 750 °C bestaat de massa uit: 0,9% Austeniet, rest Cementiet� 91% Perliet, rest Cementiet� 91% Austeniet, rest Cementiet � * 96% Austeniet, rest Cementiet�

Bestudeer de afkoellijn en beantwoord de volgende vragen

Vraag 39

Op 700 °C bestaat de massa uit: 0,8% Perliet, rest Cementiet� 90% Perliet, rest Cementiet � * 94% Perliet, rest Cementiet� 96% Perliet, rest Cementiet�

D9600 Samenvatting

Doel van legeren kunnen verklaren

Structuur van legeringen kunnen toelichten

Doelstellingen

Stollingsdiagrammen van legeringen kunnen verklaren

EINDE