nmc exam brush-up · deur die fe-c fase diagram te gebruik, beantwoord die volgende vrae op...

NMC WERKSWINKELNOVEMBER 2009

OORSIG

1. Kristalstrukture

2. Stolling en Kristaldefekte

3. Hittebehandeling

4. Elektriese Eienskappe van

Materiale

5. Magnetiese Eienskappe van

Materiale

KRISTALSTRUKTURE

Hoofstuk 3

KRISTALSTRUKTURE

Wat moet ek weet?

Hoof metalliese kristalstrukture

KVG, KRG, HDP, TRG

Allotropie

Eenheidselle en Bravais strukture

Digtheid “Tool Box”

Diggepakte kristalstrukture

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

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

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

KRISTALSTRUKTURE

Voorbeelde1. Bereken die radius van „n Iridium atoom. Ir

het „n KVG struktuur en „n digtheid van

22.44g/cm3 en „n molare masa van 192.2g/mol

(R = 0.136nm)

ALLOTROPIE

Kristalstruktuur transformasie a.g.v

temperatuur en druk Fe

@ Kamer temperatuur- KRG

Bo 727°C – KVG

Bo 1394°C – KRG

C

@ Kamer temperatuur – HDP

@ Uitermatige hoë temperatuur en druk – Diamant Kubies

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”

DIGTHEID “TOOL BOX”

Volumetriese Digtheid van Materiale

ρv= (NR)(MR)/ [(Vsel)(NA)] (g/cm3)

Atomiese Vlak Digtheid

ρp= (NR(gesnyde atome))/Avlak (atome/mm2)

Linear Atomic Density

ρl= (NR(atoom diameters op lyn))/Llyn (atome/mm)

DIGTHEID TOOL BOX

Voorbeelde1. 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 0.1253nm en „n c/a

verhouding van 1.623.

a) Bereken die volume van die eenheidsel vir

Co. V = 0.0664nm3

b) Verduidelik in jou eie woorde hoekom die

c/a verhouding nie gelyk aan 1.633 is nie.

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

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

= 1.633

TEKEN ALTYD „N PRENTJIE!

KRISTALDEFEKTE EN STOLLING

Chapter 4

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

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)

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 oppervlakdefekte)

Makrodefekte (krake, pore, inklusies and blaasgate)


Mikrodefekte – Punt Defects

Leë Ruimtes

Nc = 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


Mikrodefekte – Punt defekte

Hume-Rothery Criteria

Rparent en Ralloy 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


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


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


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)


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

BEREKNING VAN KORRELGROOTTE

N = 2n-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? (320 000)

2. Bereken die ASTM korrelgroote nommer as 25

korrels per vierkante duim geobserveer word by

75X. (4.8)

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)

OPSOMMING: TIPS

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

0

2

4

6

8

10

12

Grain Size

Strength Creep Resistance

Resis

tiv

ity

Ndefects, CW, %Alloying

Elements

HITTEBEHANDELING

Hoofstuk 9

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

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

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%)

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)

HITTEBEHANDELING

Nie-ekwilibrium Fase Transformasies

Toename in afkoeltempo – nie-ekwilibrium fases

Bainiet – T vanaf 250 – 550°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

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)

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

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 sferodiseringvoorgeskryf word vir „n komponent wat goeie slagsterktenodig het

Met hipoeutektoïde stale, kan perliet „n probleem wees virtoepassings wat hoë sterkte moet hê – koue verwerking kansterkte 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 eienskappegee maar die tyd vir transformasie is nie koste effektief nieen kondisies van Pb bad is moeilik om te beheer

ELEKTRIESE EIENSKAPPE VAN

MATERIALE

Hoofstuk 10

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


Resistiwiteit en Geleidingsvermoë

Omgekeerd eweredig aan mekaar Inversely proportional to each other

Weerstand van materiaal is afhangend van die tipemateriaal, lengte, en deursnit-area van komponent

Ohm se wet kan gebruik word om weerstand tebereken 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 geredelikgelei nie)Isolators


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


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


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


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 meestalisolators maar kan soms as semi-geleiers optree

Word as kapasitor vulsels gebruik

Pizo-electriese Keramieke

Keramieke wat elektriese pulse na meganiese vibrasiesomskakel

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

MAGNETIESE EIENSKAPPE VAN

MATERIALE

Hoofstuk 20


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


MATERIALE

Tipes Magnetisme Diamagneties - μr < 1

Paramagneties – Partikels beweeg in rigting van magneetveld maar verloor hul magnetisme wanneerveld verwyder word

Ferromagneties – Magnetisering kan permanent wees a.g.v half-gevulde 3d orbitaal met spin momentewat parallel is

Antiferromagneties – Elemente het „n magnetiesedipool moment maar a:d verhouding is nie tussen 1.4 en 2.7 nie – geen magnetisme

Ferrimagnetisme – Tekens van magnetiese dipoolmomente – gewoonlik ioniese bindings – spin van elektrone is anti-parallel en nie magnetiese nie


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


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


MATERIALE

Hysteresis

Hysterese lus wys die leefsilkus

van magnetisering en

demagnetisering

Toename in die area onder B-H-

kurwe, hoe sterker is magneet


MATERIALE

Hard VS Sagte magnetiese

HARD SAGTE

Hoë Hc and Br waardes Maklik om te magnetiseer

en demagnetiseer

Groot negatiewe

magnetiese veld nodig om

te demagnetiseer

Benodig hoë Bs waarde en

hoï permeabiliteit

Klein magnetiese veld om

te magnetiseer

Geïnduseerde stroom a.g.v

magneetveld

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.

nmc exam brush-up · deur die fe-c fase diagram te gebruik, beantwoord die volgende vrae op...

Documents