DIFFUSJON I METALLER. DIFFUSJON - bevegelse av atomer. - størkning. foregår hurtigere i gass og smelte p.g.a. mindre effektiv atompakking

Like dokumenter
DIFFUSJON I METALLER. DIFFUSJON - bevegelse av atomer. - størkning. foregår hurtigere i gass og smelte p.g.a. mindre effektiv atompakking

Mange prosesser er betinget av diffusjonsprosesser. Eksempler er herding av stål (oppløsningsherding), settherding (karburisering) og nitrerherding.

Mange prosesser er betinget av diffusjonsprosesser. Eksempler er herding av stål (oppløsningsherding), settherding (karburisering) og nitrerherding.

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 2

I Fe - legeringer. Metaller og legeringer, 2 grupper: Fe - legeringer. II Ikke - Fe - legeringer. 10 Ferrous Alloys (lectures notes)

er at krystallitt eller korn. gitterstrukturen. enhetscelle regelmessighet og symmetri. Henning Johansen side 1

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 6

Løsningsforslag til Ø6

Løsningsforslag eksamen TMT4185 ;

2 KRYSTALL STRUKTUR (Atomic structure) 2.1 Gitterstruktur

Varmebehandling av stål Frey Publishing

Vanlige varmebehandlings metoder for stål:

Formel ark Mas

Legeringer og fasediagrammer. Frey Publishing

Ekstraordinær E K S A M E N. MATERIALLÆRE Fagkode: ILI 1269

Legeringer og fasediagrammer. Frey Publishing

AVSPENNING, REKRYSTALLISASJON OG KORNVEKST

FASER, FASEDIAGRAMMER OG LEGERINGER

10 JERN - KARBON LEGERINGER, LIKEVEKTSTRUKTURER (Ferrous Alloys) 10.1 Generelt

MATERIALLÆRE for INGENIØRER

DEFORMASJON AV METALLISKE MATERIALER

Øvingsoppgave 3. Oppgave 3.4 Hva er mest elastisk av stål og gummi, og hvilket av disse to stoffene har høyest E-modul?

MATERIALLÆRE for INGENIØRER

5 DEFORMASJON AV METALLISKE MATERIALER (Deformation of metals)

Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

GENERELLE FREMGANGSMÅTER TIL Å STYRKE METALLENE

Høgskolen i Gjøvik 15HBTEKD, 15HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

Høgskolen i Gjøvik 13HBTEKD, 13HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

KJ1042 Øving 3: Varme, arbeid og termodynamikkens første lov

4 FASER, FASEDIAGRAMMER OG LEGERINGER (Phase diagrams and alloys)

Undersøkelse av metallenes struktur (gitter- og kornstruktur) og de mekaniske og fysikalske egenskaper som har sammenheng med den.

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

EKSAMEN I: (MSK200 Materialteknologi) DATO: OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 4 SIDER + 3 SIDER VEDLEGG

Studie av overføring av kjemisk energi til elektrisk energi og omvendt. Vi snakker om redoks reaksjoner

Løsningsforslag til ukeoppgave 6

TM03: Tema i materiallære

Metallene kjennetegnes mekanisk ved at de kan være meget duktile. Konstruksjonsmetaller har alltid en viss duktilitet og dermed seighet.

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI LØSNINGSFORSLAG

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Fasit til norsk finale

T L) = H λ A T H., λ = varmeledningsevnen og A er stavens tverrsnitt-areal. eks. λ Al = 205 W/m K

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 5 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 3 SIDER VEDLEGG

0$7(5,$// 5( )DJNRGH,/,

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

Elastisitet, plastisitet og styrking av metaller

Ofte prater vi om grovkrystallinsk, finkrystallinsk og fibrig struktur.

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

Løsningsforslag for øvningsoppgaver: Kapittel 7

Fysikk-OL Norsk finale 2006

Fasit til norsk finale for uttak til den. 41. internasjonale kjemiolympiaden i Cambridge, England, juli 2009

8 AVSPENNING, REKRYSTALLISASJON og KORNVEKST (Recovery, recrystallization and grain growth)

Plastisk deformasjon i metaller

hvor: E = hellingen på den elastiske del av strekk-kurven Figur Spenning - tøyning ved strekkprøving.

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET FULLSTENDIG

Løsningsforslag til eksamen i materialteknologi

6 GENERELLE FREMGANGSMÅTER TIL Å STYRKE METALLENE (Strengthening mechanisms metallic material)

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Kapittel 12: Struktur og egenskaper til keramer

Korrosjon. Øivind Husø

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Termofysikk: Ekstraoppgaver om varmekapasitet for gasser og termodynamikkens 1. lov uke 47-48

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

FLERVALGSOPPGAVER ATOMER og PERIODESYSTEMET

(.675$25',1 5 0$7(5,$// 5( )DJNRGH,/,

EKSAMEN I: (MSK205 Materialmekanikk) DATO: OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 2 SIDER VEDLEGG

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

LØSNINGSFORSLAG i stikkordsform Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i:kje-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 05. juni 2014 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 2

Høgskolen i Gjøvik 14HBTEKD, 14HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

11 VARMEBEHANDLING AV STÅL, IKKE LIKEVEKTSTRUKTURER (Ferrous Alloys - Heat Treatments) 11.1 Generelt Fremstilling av austenitt

Regneøving 9. (Veiledning: Fredag 18. mars kl og mandag 21. mars kl )

Sikkerhetsrisiko:lav. fare for øyeskade. HMS ruoner

Repetisjonsoppgaver kapittel 5 løsningsforslag

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 4 SIDER VEDLEGG

Løsningsforslag TMT 4170 Materialteknologi 1

Kap. 1 Fysiske størrelser og enheter

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

Øvelse 4. Fredrik Thomassen. Rapport: Woods metall eller faseoverganger. Naturfag

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

Eksamen i KJM-MENA3300 våren 2016

Plastisk deformasjon i metaller

1.1. Tegn opp et to-dimmensjonalt mønster av tettest mulige pakkede kuler. Identifiser den todimensjonale

Dette gir ingen informasjon om hvor en nukleofil vil angripe.

Avdeling for ingeniørutdanning. Eksamen i materialteknologi og tilvirkning

Fysikkolympiaden Norsk finale 2019 Løsningsforslag

Struktur, mikrostruktur og materialer

2. Kjemisk likevekt Vi har kjemisk likevekt når reaksjonen mot høgre og venstre går like fort i en reversibel reaksjon.

Kapittel 21 Kjernekjemi

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim Institutt for kjemi. Bokmål Student nr.:

FLERVALGSOPPGAVER REAKSJONSFART, LIKEVEKT OG LØSELIGHET

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Auditorieoppgave nr. 1 Svar 45 minutter

Tema i materiallære. TM01: Krystallstrukturer og atompakning i materialer

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

hvor: E = hellingen på den elastiske del av strekk-kurven Figur Spenning - tøyning ved strekkprøving.

Transkript:

DIFFUSJON I METALLER DIFFUSJON - bevegelse av atomer nødvendig i foreksempel - varmebehandling - størkning foregår hurtigere i gass og smelte p.g.a. mindre effektiv atompakking alltid feil i metallgitteret i krystallene atomene i gitteret er ikke i ro, inneholder noe termisk energi atomene beveger seg for eksempel via vakanser teori og eksperimenter viser at muligheten for bevegelse er avhengig av temperatur eller termisk energi Feiltyper i metallgitter. G RT reaksjonshastighet r = f e [ atomhopp/s] hvor: f = atomenes svingefrekvens [1/s] G = aktiveringsenergi nødvendig for atombevegelse [J/mol] R = Universelle gasskonstant = 8,315J/mol K T = temperatur [K] Ligningen er utledet fra statistiske analyser og sannsynligheten for at atomene har den ekstra energien G som trengs for bevegelse. Kantdislokasjon. Henning Johansen side 1

diffusjon i rene metaller - SELVDIFFUSJON forekommer hele tiden i alle metaller diffusjon av ulike atomer i metaller, eksempel Cu - Ni Diffusjon av Cu-atomer i Ni. Henning Johansen side 2

MEKANISMER VAKANS DIFFUSJON - i selvdiffusjon og diffusjon ved substitusjonsatomer MELLOMROMS DIFFUSJON - små atomer i addisjonsløsning, uavhengig av vakanser Mest vanlig ANDRE DIFFUSJONSMEKANISMER (a) vakans-, (b) og (c) mellomroms-, (d) ombytte. Henning Johansen side 3

AKTIVERINGSENERGI FOR DIFFUSJON, G - tilført energi (varme) for å tvinge frem en atombevegelse - større for substitusjonsatomer (substitutional) enn for atomer i addisjon (Interstitial) - What is diffusion? University of Cambridge ΔG ΔG Aktiveringsenergi for diffusjon G. Henning Johansen side 4

DIFFUSJONSHYPPIGHETEN - FICK S 1. LOV Atomfluks = antall atomer som passerer gjennom en flate pr. tidsenhet = dn [ gatom / m 2 /s] dt dn dt dq = D Fick s 1. Lov dx Atomfluks. hvor: D = diffusjonskoeffisienten [m 2 /s] (uttrykk for hvor hurtig atomene kan bytte naboer) δx δq dq = konsentrasjonsgradienten [g-atom/m 3 /m] dx (forskjell i konsentrasjon over en avstand) Konsentrasjonsgradienten. Henning Johansen side 5

eksempel - tykkvegget rør som inneholder N-gass venstre side av membran : 0,5 10 20 N-atomer/cm 3 tilføres kontinuerlig høyre side av membran : 1 10 18 N-atomer/cm 3 Beregn totalt antall N-atomer som passerer gjennom Fe-membranen ved700 0 C hvis diffusjonskoeffisienten er 4 10-7 cm 3 /s Løsning: q 1 = 0,5 10 20 N-atomer/cm 3 = 50 10 18 N-atomer/cm 3 q 2 = 1 10 18 N-atomer/cm 3 δq = (1 50) 10 18 N-atomer/cm 3 = -49 10 18 N-atomer/cm 3 δx = 0,001cm Fick s 1. lov: dn dq = D dt dx dn dt dn dt = 4 10 7 = 1,96 10 16 18 3 2 49 10 [ ] [ N atomer / cm ] cm /s 2 [ N atomer / cm /s] totalt antall N-atomer: dn π 2 A = d = 1,96 10 dt dt 4 [ ] 0,001 cm π 3 4 dn 16 2 17 = 1,39 10 [ N atomer /s] d=3 cm Fe - membran q 1 q 2 0,001cm Tykkvegget rør med N-gass. Henning Johansen side 6

DIFFUSJONSKOEFFISENTEN, D G RT 2 D = D e [ m /s] 0 hvor: D o = frekvensfaktor [m 2 /s] (konstant for et gitt diffusjonssystem, avhengig av atomenes svingefrekvens i gitteret) Diffusing Species Host Metal D 0 (m 2 /s) Activation Energy G Calculated Values (kj/mol) (kcal/mol) (ev/atom) T ( C) D(m 2 /s) α-fe Fe 2,0 x 10-4 500 1,1 x 10-20 241 57,5 2,49 (BCC) 900 3,9 x 10-15 γ-fe Fe 5,0 x 10-5 900 1,1 x 10-17 284 67,9 2,94 (FCC) 1100 7,8 x 10-16 C α-fe 6,2 x 10-500 2,3 x 10-12 7 80 19,2 0,83 900 1,6 x 10-10 C γ-fe 1,0 x 10-5 900 9,2 x 10-12 136 32,4 1,40 1100 7,0 x 10-11 Cu Cu 7,8 x 10-5 211 50,4 2,18 500 4,4 x 10-19 Zn Cu 3,4 x 10-5 191 45,6 1,98 500 4,3 x 10-18 Al Al 1,7 x 10-4 142 34,0 1,47 500 4,1 x 10-14 Cu Al 6,5 x 10-5 135 32,3 1,40 500 4,8 x 10-14 Mg Al 1,2 x 10-4 131 31,2 1,35 500 1,8 x 10-13 Cu Ni 2,7 x 10-5 255 61,0 2,64 500 1,5 x 10-22 Source: C.J. Smithclls and E. A. Brandes (Editors), Metals Referencer Book, 5th edition, Rutterworths, London, 1976. Diffusjonsdata. Henning Johansen side 7

når T øker: - øker D (Diffusjonskoeffisienten) og dn - (atomfluks) dn dq = D dt dt dx ved lave temperaturer, ofte under 0,4 x absolutt smeltetemperatur [K], er diffusjon ubetydelig varmebehandling foregår ved høyere temperaturer Diffusjonskoeffisienten, D, som funksjon av omvendt temperatur. Henning Johansen side 8

AKTIVERINGSENERGIEN, G (energi nødvendig for atombevegelse) liten G øker: - D G RT D = D 0 e og dn - atomfluks dt dn dt dq = D dx G: - lav for atomer i addisjonsløsning - høg for atomer i substitusjonsløsning G Vanligvis lavere for atomer i åpne krystallstrukturer enn i tettpakket Eksempel Diffusjon av karbon C i jern Fe: G kubisk flatesentrert ( tettpakket ) =284 G kubisk romsentrert ( åpen ) =241 G kfs / G krs = 284/241 = 1,2 Aktiveringsenergien, G, for selvdiffusjon øker når smeltepunktet øker. G lavere for diffusjon av atomer i metaller med lavt smeltepunkt G vanligvis lavere for små substitusjonsatomer i forhold til store Henning Johansen side 9

TYPER DIFFUSJON GITTER (eller VOLUM) diffusjon diffusjon av vakanser inne i krystallene KORNGRENSE diffusjon i korngrensene er atomene ikke så tettpakket som i det indre krystall - diffusjonen skjer opp til 1000 x gitterdiffusjon OVERFLATE diffusjon atomene på overflaten er mye løsere bundet enn i det faste gitteret inne i metallet - diffusjonen skjer opp til 1000 x korngrensediffusjon setter inn ved lavere temperaturer enn gitterdiffusjon G avtar dn D og øker dt Ved høye temperaturer vil gitterdiffusjon ha størst betydning - korngrensene og overflaten representerer en svært liten del av det totale gittervolum Henning Johansen side 10

DIFFUSJONSTIDEN diffusjon tar tid tiden ved varmebehandling kan reduseres ved høyere temperaturer ved å hindre diffusjon oppnår vi spesielle strukturer - eksempel: Stål hurtig avkjølt fra kubisk flatesentrert struktur til kubisk romsentrert struktur gir ikke-likevektstrukturen MARTENSITT det kan vises at: Diffusjonsdybden x = 4Dt hvor: t = tiden [s] Henning Johansen side 11

eksempel Bestem tiden for fullstendig konsentrasjonsutjevning innenfor 2x = 2mm når temperaturen T = 500 o C. løsning: D fra venstre Figur: 1000/T = 1000/(273+500) = 1,3K -1 D = 10-11 q 0 stål (ferritt) Fe q=0 Fe + C Diffusjonsdybden x = 4Dt x 2x x Tiden: 2 ( 3 ) 2 x 1 10 t 25000s 416min 7h = = 4D 4 10 11 = = q q 0 t=? t=t 2 t=t 1 t=0 q=0 Diffusjonskoeffisienten D for karbon i α-jern (ferritt) avhengig av temperaturen. 2x=2mm Diffusjonstiden. x Henning Johansen side 12