Segregatie (materiaalkunde)
Segregatie of fasenscheiding treedt op tijdens het stollen van vloeibaar materiaal, bijvoorbeeld in half-vloeibaar metaal of smelt, tijdens het metaalgieten.
Daarbij ontstaan in het materiaal, op microscopische schaal, gebieden met een plaatselijk concentratie-verschil in atomen, ionen of moleculen. Om deze reden wordt segregatie ook wel fasenscheiding genoemd. Een bekend voorbeeld is korrelgrens-segregatie, waardoor een concentratieverschil van atomen binnen een korrel, en aan de korrelgrens ontstaat.
In principe is segregatie vergelijkbaar met adsorptie en diffusie, maar segregatie verwijst specifieker naar dit proces tijdens de stolling van een vloeistof. Segregatie is een vorm van diffusie binnen de korrels of kristallieten, in een poly-kristallijn materiaal of in de gevormde nucleatiekernen binnen de stollende vloeistof.
Vorming
Concentratieverschil
Tijdens het stollen start de nucleatie, met de vorming van nucleatiekernen in de stollende vloeistof. Door het te snel stollen van een legering kan de samenstelling in de nucleatiekernen van de korrels anders zijn dan aan de korrelgrens van de korrels; dit fenomeen wordt segregatie genoemd. Hierdoor ontstaat een concentratieverschil tussen de uiteindelijk gevormde korrels. De mate van segregatie wordt bepaald door de diffusiesnelheid in de korrels. Deze snelheid is afhankelijk van de temperatuur en de concentratiegradiënt.
Vormen
Er zijn meerdere vormen van segregatie tussen twee gebieden, namelijk:
- Nucleatie-segregatie: tussen een gevormde nucleatiekern tijdens het stollen en de nog te stollen vloeistof.
- Korrelgrens-segregatie: tussen twee gevormde korrels met een concentratieverschil. Dit kan ook zijn tussen een onzuiver precipitaat en een aangrenzende korrel. De impuriteiten en roosterdefecten stapelen zich op bij de korrelgrens tijdens het stollen, waardoor een concentratieverschil ontstaat, de "segregatie".
Korrelgrens-breuk
In legeringen komt het voor dat de korrels, behalve op basis van hun kristaloriëntatie, ook zijn te onderscheiden op grond van de concentraties van de verschillende elementen binnen de korrels. Het is dan mogelijk dat door de concentratieverschillen segregatie optreedt, bijvoorbeeld korrelgrens-segregatie. Hierbij komt er een hogere concentratie rooster-defecten terecht in de korrelgrens, waardoor deze nog zwakker worden. Door deze korrelgrens-segregatie is de korrelgrens veel brosser, en de kans op korrelgrens-breuk aanzienlijk hoger.
Korrelgrens-segregatie en extractie
Na korrelgrens-segregatie is het ook mogelijk dat de hoge concentratie aan de korrelgrens via extractie uit de stof wordt gehaald, of uit zichzelf wegvloeit. Dit gebeurt bijvoorbeeld in sommige gesteenten, wanneer deze gaan smelten. Ook bij metalen kan dit het geval zijn. Als de hoge concentratie aan de korrelgrens het eerst smelt, zal deze uit het materiaal wegvloeien.
Tegengaan segregatie
Segregatie en concentratieverschillen zijn vooral een probleem bij het maken van metalen objecten met behulp van een gietproces. Tijdens het stollen in de gietvorm ontstaan er verscheidene korrels, aan de wand van de mal, of spontaan als nucleatiekernen. De korrels die eerst gevormd worden, bevatten dan een hogere concentratie aan metaal, met een hoger smeltpunt, zoals bij ijzer en koper. Dit kan verholpen worden door het werkstuk achteraf nog na te gloeien: dit noemt men diffusiegloeien of homogeniseren. Door herstel, rekristallisatie en korrelgroei zullen de korrelgroottes en -concentraties veranderen, waardoor ook de materiaaleigenschappen kunnen worden verbeterd.
Tijdens het fusielassen treedt ditzelfde fenomeen op, omdat het in principe gieten op een kleine schaal is.
Om segregatie te voorkomen zou men een legering zeer langzaam moeten laten afkoelen, zodat het segregatieproces tijd genoeg heeft. Praktisch is een oneindig langzame afkoeling niet mogelijk, dus zal er zich steeds een zekere vorm van segregatie voordoen.
Literatuur
- (en) David A. Porter (2022). Phase transformations in metals and alloys. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 978-0-367-43034-4.
- M. F. Ashby, Hugh Shercliff, David Cebon (2019). Materials : engineering, science, processing and design, 4de druk, Kidlington, Oxford, United Kingdom. ISBN 978-0-08-102376-1.
