NMC WERKSWINKEL NOVEMBER 2009

Transcript

1 NMC WERKSWINKEL NOVEMBER 2009

2 OORSIG 1. Kristalstrukture 2. Stolling en Kristaldefekte 3. Hittebehandeling 4. Elektriese Eienskappe van Materiale 5. Magnetiese Eienskappe van Materiale

3 KRISTALSTRUKTURE Hoofstuk 3

4 KRISTALSTRUKTURE Wat moet ek weet? Hoof metalliese kristalstrukture KVG, KRG, HDP, TRG Allotropie Eenheidselle en Bravais strukture Digtheid Tool Box Diggepakte kristalstrukture

5 KRISTALSTRUKTURE KRG (α-fe, Na, Li and K) Koordinasie Getal = 8 Effektiewe hoeveelheid atoms = 2 Eenheidsel Parameter a = 4R/ 3 Fraksie van eenheisel wat beslaan word deur atome (volume basis) APF = Volume of Atome/Volume of Eenheidsel APF = 0.68

6 KRISTALSTRUKTURE KVG (γ-fe, Au, Ag, Pt) Koordinasie Getal= 12 Effektiewe hoeveelheid atome = 4 Eenheidsel parameter a = 4R/ 2 Fraksie van eenheisel wat beslaan word deur atome (volume basis) APF = Volume of Atome/Volume of Eenheidsel APF = 0.74

7 KRISTALSTRUKTURE HDP (C, Cd, Co, Zn) Koordinasie getal = 12 Effektiewe hoeveelheid atome = 6 Eenheidsel parameter a = 2R & c = 1.633a Fraksie van eenheidsel wat beslaan word deur atome (volume basis) APF = Volume of Atome/Volume of Unit Cell APF = 0.74

8 KRISTALSTRUKTURE Voorbeelde 1. Bereken die radius van n Iridium atoom. Ir het n KVG struktuur en n digtheid van 22.44g/cm 3 en n molare masa van 192.2g/mol (R = 0.136nm)

9 ALLOTROPIE Kristalstruktuur transformasie a.g.v temperatuur en druk Fe Kamer temperatuur- KRG Bo 727 C KVG Bo 1394 C Kamer temperatuur Uitermatige hoë temperatuur en druk Diamant Kubies

10 EENHEID EN BRAVAIS ROOSTERS 14 Bravais roosters (ONTSPAN, jy hoef nie almal te ken nie!) Hierdie het tedoen met die geometriese struktuur van rooster Kubies, Tetragonaal, Heksagonaal, Ortorombies, Mon oklinies, Rhombohedries and Triklinies 4 Tipes Eenheidsell Net van toepassing op die plasing van atome in struktuur Eenvoudig Ruimtegesentreerd Vlakgesentreerd End-centred

11 DIGTHEID TOOL BOX Volumetriese Digtheid van Materiale ρ v = (N R )(M R )/ [(V sel )(N A )] (g/cm 3 ) Atomiese Vlak Digtheid ρ p = (N R(gesnyde atome) )/A vlak (atome/mm 2 ) Linear Atomic Density ρ l = (N R(atoom diameters op lyn) )/L lyn (atome/mm)

12 DIGTHEID TOOL BOX Voorbeelde 1. Beskou die KVG kristal struktuur van Al. Bereken die planêre fraksie wat deur atome beslaan word op die (111) vlak. (0.91) 2. Kobalt het n HDP kristalstruktuur met n atomiese radius van nm en n c/a verhouding van a) Bereken die volume van die eenheidsel vir Co. V = nm 3 b) Verduidelik in jou eie woorde hoekom die c/a verhouding nie gelyk aan is nie.

13 DIGGEPAKTE KRISTALSTRUKTURE KVG en HDP is beide diggepak (APF 0.74) Diggepakte vlakke het die hoogste planêre digtheid Pakkingsorde verskil ABC ABC ABC KVG and AB AB AB HDP KVG het meer diggepakte vlakke as HDP en KRG het nie diggepakte vlakke nie

14 OPSOMMING: TIPS Eksamen vrae sal heelmoontlike meer gefokus wees op berekeninge as teorie van die hoofstuk. Maak seker jy kan die volgende sketse teken KVG, KRG, HDP en TRG As jy die kristalstruktuur kan teken dan is hierdie hoofstuk VERSTAANWERK! Prinsiep vir Ioniese kristalle is dieselfde maak net seker dat die katione en anione balanseer Bewys aan jouself dat die c/a verhoudig vir HDP = TEKEN ALTYD N PRENTJIE!

15 KRISTALDEFEKTE EN STOLLING Chapter 4

16 STOLLING EN KRISTALDEFEKTE Wat moet ek weet Proses van stolling Polikristallyne materiale (Skets gietstuk stolling meganisme) Enkel kristalle (Chozkralski proses) Defekte in vaste stowwe Faktore Tipes Defekte Berekening van Korrelgrootte

17 PROSES VAN STOLLING Hitte word vanaf wand van gietstuk getrek (Hoë afkoeltempo, klein korrels) Tussen middel van gietstuk en wand, groei kolom korrels na area met hoogste temperatuur gradiënt (kolom sone) Middel van gietstuk, laaste vloeistof stol (groter, ewe-assige korrels)

18 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Faktore wat beïnvloed word Meganiese Eienskappe Smeebaarheid Elektriese Eienskappe Geleidingsvermoë Warmte geleidings vermoë Diffusie van Atome Korrosie weerstand Tipes Defekte Mikrodefekte(punt defekte, lyn defekte en oppervlak defekte) Makrodefekte (krake, pore, inklusies and blaasgate)

19 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Mikrodefekte Punt Defects Leë Ruimtes N c = Ne (-Qv/kT) Self-interstisiële Defekte Onsuiwerhede Meeste materiale word in legering vorm gebruik Eenvoudigeste vorm van legering is substitusioneel Substitusioneel (Legeringsatome verplaas dié van moederatome) Interstisieel (Legeringsatome plaas tussen moederatome) Versadiging van legeringselement veroorsaak twee-fase gebied Vaste oplossing afhangend van Hume-Rothery criteria

20 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Mikrodefekte Punt defekte Hume-Rothery Criteria R parent en R alloy verskil < 15% Moeder en legeringselement moet dieselfde kristalstruktuur hê Elektron negatiwiteite moet ongeveer dieselfde wees Die 2 elemente moet dieselfde hoeveelheid valenselektrone hê2 Schottky Defekte(Keramiese materiale) Katioon en anioon is afwesig Frenkel Defekte (Keramieke) Katioon leë ruimte

21 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Ontstaan van Puntdefekte Leë ruimtes Gedurende stolling Baie hoë afkoeltempos Koue verwerking Radioaktiewe bombardering Self-interstisiele defekte Radioaktiewe bombardering Onsuiwerhede Vaste oplossings Diffusie van rogue spesies

22 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Mikrodefekte Lyn defekte Twee primêre tipes Skroef defekte (Vorm deur afskuifspannings) Kantontwrigtings - Positiewe kantontwrigting - Negatiewe kantontwrigting Vorming van kantontwrigtings (Gewoonlik deur trekspannings) Stollings Koue verwerking (Bevorder glip van ontwrigtings op diggepakte vlakke) Leë ruimte kondensasie

23 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Mikrodefekte Oppervlak defekte Korrelgrense A.G.V naburige korrels met verskillende geometriese orientasies Korrelgrense is n area van hoë energie potensiaal Altyd teenwoordig in polikristallyne materiale/ legerings Tweelinge Vlak wat n spieëlbeeld veoorsaak Vorm deur koue verwerking (meganiese tweelinge) of gedurende uitgloeing (uitgloei tweelinge)

24 DEFEKTE IN VASTE STOWWE Makrodefekte Krake A.G.V te hoë afkoeltempo gedurende stolling A.G.V meganiese vervorming Pore, blaasgate of wurmkanale A.G.V afname in gasoplosbaarheid in gesmolte metaal ontsnap gas deur die gedeeltelike gestolde oppervlak Inklusies Rogue partikels tree materiaal binne gedurende vervaardiging

25 BEREKNING VAN KORRELGROOTTE N = 2 n-1 N = Gemiddelde hoeveelheid korrels per vierkante duim (@100x) n = Korrelgrootte nommber Voorbeelde 1. Vir n ASTM korrelgroote van 6, hoeveel korrels sal daar wees per vierkante duim by: a) 100X? (32) b) Sonder vergroting? ( ) 2. Bereken die ASTM korrelgroote nommer as 25 korrels per vierkante duim geobserveer word by 75X. (4.8)

26 NOG N VOORBEELD 3. Bereken die fraksie atoom ruimtes wat leeg is vir Pb by die smeltemperatuur van 327 C. Neem aan die energie vir leë ruimte vorming is gelyk aan 0.55eV/atoom. (2.41x10-5 )

27 Resistivity OPSOMMING: TIPS 12 Hierdie hoofstuk bevat BAIE teorie maar die konsepte moet kan toegepas word Jy kan n paar grafieke in die eksamen verwag oor die hoofstuk Die hoeveelheid berekenings in die hoofstuk sal moontlik beperk wees Strength Grain Size Creep Resistance Ndefects, CW, %Alloying Elements

28 HITTEBEHANDELING Hoofstuk 9

29 HITTEBEHANDELING Wat moet ek weet? Fe-C fase diagram Interpretasie van binêre fase diagram Fases teenwoordig by spesifieke komposisie en temperatuur Hefboomwet vir berekening van persentasies fases by sekere temperatuur en komposisies Fase transformasies (peritekties, eutekties, peritektoïde en eutektoïde reaksies) Ekwilibruim fases en reaksies Nie-ekwilibrium fases Hittebehandelings en mikrostruktuur

30 HITTEBEHANDELING Fe-C fase sisteem Net vir ekwilibrium afkoeling Fase diagram wys al die reaksies, komposisies en temperature Fases met ekwilibrium afkoeling Ferriet, sementiet en perliet

31 HITTEBEHANDELING Fe-C fase sisteem voorbeelde 1. Deur die Fe-C fase diagram te gebruik, beantwoord die volgende vrae op toepassing van n 0.5%C hipoeutektoïde staal wat stadig afgekoel word vanaf 950 C tot net onder 727 C. a) Bereken die hoeveelheid pro-eutektoïde ferrite in die staal (38.71%) b) Bereken die hoeveelhede eutektoïde ferrite en sementiet in die staal. (54.17% and 7.1%)

32 HITTEBEHANDELING Fe-C fase diagram Voorbeelde 2. Bereken die chemiese komposisie (%C) in die volgende stale met die volgende mikrostrukturele komponente na stadige afkoeling. a) 92% Ferriet en 8% Sementiet (0.559%C) b) 48.2% Pro-eutektoïde ferriet (0.426% C) c) 4.7% Pro-eutektoïde sementiet (1.0773% C) d) 10.45% Eutektoïde sementiet (Hipereutektoïde komposisie) (1.388% C)

33 HITTEBEHANDELING Nie-ekwilibrium Fase Transformasies Toename in afkoeltempo nie-ekwilibrium fases Bainiet T vanaf C Fyn verspreiding van sementiet in n ferrite matriks Goeie slagsterkte, sterkte en hardheid eienskappe Martensiet Baie vinnige afkoeling (koel af in water of olie) C atome het genoeg tyd om uit KVG struktuur uit te diffundeer nie en word vasgevang in die TRG sel Gelyktydige inkrimping en volumge uitsettings veroorsaak hoë hoeveelheid vervorming met fase trasnformasie en daarom neem hardheid en sterkte toe Temper behandeling is baie belangrik om smeebaarheid van martensiet te verbeter Temper vind plaas onder 650 C en stel C instaat om uit te presipiteer, sfere te vorm en interne spannings te verlig

34 HITTEBEHANDELING Tipes Hittebehandelings Uitgloeing Staal word ge-austenitiseer en teen ekwilibrium kondisies stadig afgekoel Groot korrels en growwe perliet Goeie smeebaarheid Normalisering Afblussing in lug Fyner korrelgrootte, fyn perliet Harder komponenet as uitgegloeide monster Verharding Baie vinnige afkoeling (water, olie, soutbad, stikstof) Martensiet of bainiet vorm Baie hoë hardheid (Bainiet toon tog goeie smeebaarheid)

35 HITTEBEHANDELING Tipes Hittebehandelings Spannings verligting behandeling Koue verwerkte, afgebluste, gesweise of gemasjineerde komponente wat spannings amplitudes ervaar a.g.v interne spannings Verhite komponenet onder eutektoïde temperatuur om spannings te verlig Sferodisering Komponent word verhit om C atome te laat diffundeer om sodoende sfere te vorm Sfere het laagste oppervlak tot volume energy daarom diffundeer C atome om hierdie vorm aan te neem Goeie masjineerbaarheid en smeebaarheid

36 OPSOMMING: TIPS Jy sal die hefboomwet MOET kan gebruik Moontlik n toepassing vraag op hittebehandelings As jy n behandeling moet voorskryf onthou: FIT FOR PURPOSE Sementiet is baie bros en daarom moet sferodisering voorgeskryf word vir n komponent wat goeie slagsterkte nodig het Met hipoeutektoïde stale, kan perliet n probleem wees vir toepassings wat hoë sterkte moet hê koue verwerking kan sterkte verhoog na afkoeling As a n baie vinnige afkoeltempo gebruik word (water, olie, stikstof) sal jy met n vorm van martensiet opeindig tempering behandeling is essensieel Bainiet can geproduseer word deur staal in gesmolte Pb of sout bad afteblus en sal uitstekende meganiese eienskappe gee maar die tyd vir transformasie is nie koste effektief nie en kondisies van Pb bad is moeilik om te beheer

37 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Hoofstuk 10

38 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Wat moet ek weet? Verhouding tussen resistiwiteit en geleidingsvermoë 3 Groepe van elektriese geleiding Faktore wat resistiwiteit en geleidingsvermoë beïnvloed Energy gaping model vir metale en isolators Intrinsieke semi-geleiers Ekstrinsieke semi-geleiers Die-elektriese karakter

39 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Resistiwiteit en Geleidingsvermoë Omgekeerd eweredig aan mekaar Inversely proportional to each other Weerstand van materiaal is afhangend van die tipe materiaal, lengte, en deursnit-area van komponent Ohm se wet kan gebruik word om weerstand te bereken en die mikrowet om die geleidingsvermoë of resistiwiteit te bereken 3 Tipes Geleiers Geleiers (e.g. Metale met hoe geleidingsvermoë) Semi-geleiers (Si met gemiddelde geleidingsvermoë) Semi-conductors Isolators (Keramieke wat nie elektrisiteit geredelik gelei nie)isolators

40 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Faktore wat resistiwiteit van metale beïnvloed Temperatuur Lineêre verwantskap tussen resistiwiteit en temperatuur Legeringselemente Legerings elemente laat resistiwiteit toeneem omdat elektrone minder mobiliteit het in kristalstruktuur KristaldefekteCrystal Defects Hoër mate van kristaldefekte sal resisitiwiteit verhoog omdat hulle hindernisse is vir elektrone Resistiwiteit kan verlaag word deur HX

41 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Energie Gaping Model Metale Klein hoeveelheid energie word benodig om gaping te vul Daarom is meeste metale goeie geleiers Isolators Energie gaping is geskei van n gevulde band en leë band Elektrone het baie meer energie nodig om gaping te oorbrug

42 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Intrinsieke Semi-geleiers Geen legerings elemente bygevoeg (Si, Ge) Negatiewe en positiewe elektrone gelei elektrisiteit Met n toename in temperatuur, neem die GELEIDINGSVERMOë toe met semi-geleiers omdat elektrone meer in hul posisies vibreer en hul mobiliteit neem toe Ekstrinsieke Semi-geleiers Verskil tussen p en n tipe Positief (Groep 3 en 4 elemente) en negatiewe geleiers (Groep 4 and 5 elemente) Deur dotering, neem hoeveelheid onsuiwerhede toe en energie gaping verklein dus neem geleidingsvermoë toe

43 ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Ekstrinsieke Semi-Geleiers n-tipe Groep 5 verplaas een van Groep 4 atome Meerderheid van geleiers is elektrone minderheidsdraers is leë ruimtes p-tipe Groep 3 verplaas een van Groep 4 atome Meerderheid leë ruimtes gelei elektrisiteit minderheid is elektrone Die-elektriese Karakter Keramieke, ioniese en sommige polimere is meestal isolators maar kan soms as semi-geleiers optree Word as kapasitor vulsels gebruik Pizo-electriese Keramieke Keramieke wat elektriese pulse na meganiese vibrasies omskakel

44 OPSOMMING Hierdie hoofstuk is 90% teorie Werk n paar probleme van ekstrinsieke geleiers just net om seker te maak jy verstaan wat aangaan Dis regtig plug-and-play vergelykings met baie min moeilike berekeninge Maak seker jy verstaan die faktore wat geleiding en weerstand beïnvloed Jy kan een of twee grafieke verwag met n paar MVK en miskien 1 bewerking

45 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Hoofstuk 20

46 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Wat moet ek weet Basiese Magnetiese Prinsiepe (Teorie) Magnetiese veldsterkte en magnetiese digtheid Relatiewe permeabiliteit Tipes Magnetisme Diamagneties, paramagneties, ferromagneties, antiferroma gneties and ferrimagneties Invloed van Temperatuur op ferromagnetisme Hysterese Magnetisering en de-magnetisering en hysterese lusse Ken verskille tussen harde en sagte magnetiese materiale

47 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Tipes Magnetisme Diamagneties - μ r < 1 Paramagneties Partikels beweeg in rigting van magneetveld maar verloor hul magnetisme wanneer veld verwyder word Ferromagneties Magnetisering kan permanent wees a.g.v half-gevulde 3d orbitaal met spin momente wat parallel is Antiferromagneties Elemente het n magnetiese dipool moment maar a:d verhouding is nie tussen 1.4 en 2.7 nie geen magnetisme Ferrimagnetisme Tekens van magnetiese dipool momente gewoonlik ioniese bindings spin van elektrone is anti-parallel en nie magnetiese nie

48 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Invloed van Temperatuur By die Curie temperatuur, verander die 3d elektrone se orientasie en die parallel spin van die elektrone neem af By hierdie temperatuur verloor materiaal sy ferromagnetiese natuur

49 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Hysterese Gebied op atomiese vlak kan deur solenoid verander word veroorsaak parallel beweging van 3d elektrone Magnetisering vind plaas met die ferro en ferrimagnetiese material a.g.v: Gebied (wat die korrekte orientasie het) begin groei teen die nadeel van die verkeerde georienteerde gebied Verkeerde georienteerde gebied kan geroteer word as die toegepaste veldsterkte, sterk genoeg is Demagnetisering sal plaasvind as materiaal bo Curie temperatuur verhit word of deur n teenoorgestelde veldrigting op materiaal toe te pas

50 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Hysteresis Hysterese lus wys die leefsilkus van magnetisering en demagnetisering Toename in die area onder B-Hkurwe, hoe sterker is magneet

51 MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN MATERIALE Hard VS Sagte magnetiese HARD Hoë Hc and Br waardes Groot negatiewe magnetiese veld nodig om te demagnetiseer Klein magnetiese veld om te magnetiseer SAGTE Maklik om te magnetiseer en demagnetiseer Benodig hoë Bs waarde en hoï permeabiliteit Geïnduseerde stroom a.g.v magneetveld

52 OPSOMMING Die teorie is die belangrikste aangesien daar min vergelykings is Die tipes magnetisme is belangrik asook die meganisme wat ferromagnetisme veroorsaak B-H kurwe is maklik om te verstaan volg net jou notas.