Hoofdstuk 4: Stolling en kristallisatie van een zuiver metaal
4.1) Aggregatietoestanden en het begrip fase
Metalen: overgang van vloeibare naar vaste aggregatietoestand belangrijk
=> ontstaan metaalstructuur (mechanische, fysische, chemische,...
eigenschappen)
Vloeibare atomen bewegen willekeurig
Vaste atomen geordend in een kristallijnrooster
Stollen brengt een vermindering van het metaalvolume mee (2 a 4 %) = slink
-> krimp
Een fase wordt gedefinieerd als een materiaalmassa die overal dezelfde
samenstelling en structuur heeft.
Vast metaal kan bestaan uit meerdere fasen.
Homogene aggregatietoestand is één fasig.
4.2) Het temperatuur-tijd-diagram (T,t)-diagram bij evenwichtige afkoeling
Het (T,t)-diagram vertoont bij evenwichtige of langzame afkoeling een verloop
zoals in bovenstaand diagram. In vloeibare en vaste toestand daalt de temperatuur
continu. Tijdens stolling (bc) blijft de temperatuur constant, dus zolang beide fasen
(vloeibaar en vast) aanwezig zijn.
4.3) Fasenregel van Gibbs
Metaallegering: C = legeringscomponenten
= fasen
-> toestandsparameters
Stelsel in evenwicht: geen spontane verandering in aantal fasen.
V = aantal vrijheidsgraden
Druk (p), Temperatuur (T), Samenstelling van elke fase (%)
-> toestandsgrootheden
V =2C −
Druk is constant. V met één eenheid verminderen: V =1C−
Materialenleer – H4 – Aggregatietoestanden en het begrip fase (1/10)
, In het tweefasig gebied: stolling (bc)
V =1C−=11−2=0
-> Geen enkele vrijheidsgraad
In éénfasig gebied: continu verloop (ab en cd)
V =1C−=11−1=1
-> Temperatuur varieert binnen deze gebieden met behoud van één fase.
4.4) Kiemvorming
Vloeibare fase -> Vaste kiemen die groeien -> Kristallijn
4.4.1) Homogene kiemen
Kiemen die gevormd worden uit eigen metaalatomen in de smelt kiem:
=> Een eerste roosterstapeling van het metaal: imperfect en vergankelijk in
de tijd.
=> Afmeting en symmetriegraad van de stapeling een kritische waarde
-> voorstapeling wordt een stabiele kiem.
Moeilijk in praktijk:
=> Geen vreemde stoffen in smelt
=> Volledig inerte omstandigheden (vacuüm, inert gas, ...)
4.4.2) Heterogene kiemen
Vreemde vaste deeltjes die gewenst of ongewenst in de smelt komen.
Bepaalde voorwaarden:
1. Bepaalde kritische afmeting
2. Gelijkaardig kristalrooster zoals de smelt of minstens gelijksoortige
roostervlakken.
-> coherent kunnen aangroeien op de kiem.
Door enten (opzettelijk toevoegen van heterogene kiemen) stijgt het aantal korrels
na stollen.
Kiem: is hulpmiddel bij het begin van de stolling
– geen effect op kristalrooster waarin metaal uitkristalliseert
– soort en aantal kiemen wel invloed op gedrag tijdens stolling en
uiteindelijke structuur
4.5) Onderkoeling
Onderkoeling treed op als er geen kiemen aanwezig zijn bij het bereiken van de
theoretische stollingstemperatuur TSM.
-> is stollingstemperatuur bij zéér langzaam afkoelen.
Bij reële afkoelsnelheden is onderkoeling vereist om homogene kiemvorming
mogelijk te maken in een zeer zuivere smelt (geen heterogene kiemen)
Materialenleer – H4 – Aggregatietoestanden en het begrip fase (2/10)
4.1) Aggregatietoestanden en het begrip fase
Metalen: overgang van vloeibare naar vaste aggregatietoestand belangrijk
=> ontstaan metaalstructuur (mechanische, fysische, chemische,...
eigenschappen)
Vloeibare atomen bewegen willekeurig
Vaste atomen geordend in een kristallijnrooster
Stollen brengt een vermindering van het metaalvolume mee (2 a 4 %) = slink
-> krimp
Een fase wordt gedefinieerd als een materiaalmassa die overal dezelfde
samenstelling en structuur heeft.
Vast metaal kan bestaan uit meerdere fasen.
Homogene aggregatietoestand is één fasig.
4.2) Het temperatuur-tijd-diagram (T,t)-diagram bij evenwichtige afkoeling
Het (T,t)-diagram vertoont bij evenwichtige of langzame afkoeling een verloop
zoals in bovenstaand diagram. In vloeibare en vaste toestand daalt de temperatuur
continu. Tijdens stolling (bc) blijft de temperatuur constant, dus zolang beide fasen
(vloeibaar en vast) aanwezig zijn.
4.3) Fasenregel van Gibbs
Metaallegering: C = legeringscomponenten
= fasen
-> toestandsparameters
Stelsel in evenwicht: geen spontane verandering in aantal fasen.
V = aantal vrijheidsgraden
Druk (p), Temperatuur (T), Samenstelling van elke fase (%)
-> toestandsgrootheden
V =2C −
Druk is constant. V met één eenheid verminderen: V =1C−
Materialenleer – H4 – Aggregatietoestanden en het begrip fase (1/10)
, In het tweefasig gebied: stolling (bc)
V =1C−=11−2=0
-> Geen enkele vrijheidsgraad
In éénfasig gebied: continu verloop (ab en cd)
V =1C−=11−1=1
-> Temperatuur varieert binnen deze gebieden met behoud van één fase.
4.4) Kiemvorming
Vloeibare fase -> Vaste kiemen die groeien -> Kristallijn
4.4.1) Homogene kiemen
Kiemen die gevormd worden uit eigen metaalatomen in de smelt kiem:
=> Een eerste roosterstapeling van het metaal: imperfect en vergankelijk in
de tijd.
=> Afmeting en symmetriegraad van de stapeling een kritische waarde
-> voorstapeling wordt een stabiele kiem.
Moeilijk in praktijk:
=> Geen vreemde stoffen in smelt
=> Volledig inerte omstandigheden (vacuüm, inert gas, ...)
4.4.2) Heterogene kiemen
Vreemde vaste deeltjes die gewenst of ongewenst in de smelt komen.
Bepaalde voorwaarden:
1. Bepaalde kritische afmeting
2. Gelijkaardig kristalrooster zoals de smelt of minstens gelijksoortige
roostervlakken.
-> coherent kunnen aangroeien op de kiem.
Door enten (opzettelijk toevoegen van heterogene kiemen) stijgt het aantal korrels
na stollen.
Kiem: is hulpmiddel bij het begin van de stolling
– geen effect op kristalrooster waarin metaal uitkristalliseert
– soort en aantal kiemen wel invloed op gedrag tijdens stolling en
uiteindelijke structuur
4.5) Onderkoeling
Onderkoeling treed op als er geen kiemen aanwezig zijn bij het bereiken van de
theoretische stollingstemperatuur TSM.
-> is stollingstemperatuur bij zéér langzaam afkoelen.
Bij reële afkoelsnelheden is onderkoeling vereist om homogene kiemvorming
mogelijk te maken in een zeer zuivere smelt (geen heterogene kiemen)
Materialenleer – H4 – Aggregatietoestanden en het begrip fase (2/10)
