2020-2021 Samenvatting Materiaalkunde PDF

SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 INHOUDSTAFEL MATERIAALKUNDE 1. KRISTALSTRUCTUREN 1.1 Kristalsystemen en kristalrooster 1.2 Kristalstructuren van metallische materialen 1.3 Kristalstructuren van keramische materialen 1.4 Kristal...

SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 INHOUDSTAFEL MATERIAALKUNDE 1. KRISTALSTRUCTUREN 1.1 Kristalsystemen en kristalrooster 1.2 Kristalstructuren van metallische materialen 1.3 Kristalstructuren van keramische materialen 1.4 Kristalstructuren van polymeren 2. IMPERFECTIES IN HET KRISTALROOSTER 2.1 Vaste oplossing chemische imperfectie 2.2 Puntfouten 2.3 Lijnfouten of disslocatie 2.4 Oppervlaktefouten of korrelgrenzen 2.5 Niet-kristallijne of amorfe materialen 3. MATERIAALEIGENSCHAPPEN 3.1 Spectrum van eigenschappen 3.2 Chemische eigenschappen 3.3 Fysische eigenschappen 3.4 Mechanische eigenschappen 3.5 Fabricage overwegingen 3.6 Informatie overen eigenschappen 4. POLYMEREN 4.1 Polymerisatiereacties 4.2 Basistypen van polymeren 4.3 Wijzigen van polymeren eigenchappen 4.4 … 4.10 Polymeergroepen 4.11 Fabricage processen van thermoplastische polymeren 4.12 Fabricage processen van thermohardende polymeren 4.13 Molecuulmassa en massaverdeling 5. POLYMEERCOMPOSIETEN 5.1 Opbouw van polymeer composieten 5.2 Matrix meterialen 5.3 Verstrekingen 5.4 Fabricagetechnieken 5.5 Eigenschappen en technieken 6. KERAMISCHE MATERIALEN 6.1 Kenmerken 6.2 Fabricageproces 6.3 Microstructuur 6.4 Eigenschappen 7. METALEN 7.1 Voorbereiden van ijzererts 7.2 Bereiden van staal 7.3 Rafineren van staal 7.4 Omvormen van staal 0  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 1: KRISTALSTRUCTUREN 1.0 INLEIDING Structuur (op atomaire schaal bestuderen) → 2 soorten materialen: Kristallijn: geordend in regelmatig patroon → over langere afstand (LRO) Amorf: SRO (Short range), korte afstand → 7 kristalsystemen & 14 kristalroosters Metalen → 3 belangrijke kristalroosters (BBC, FCC, HCP) Keramische → grote variatie in kristalstructuur) Polymeren → zeer grote moleculen → semi kristallijn of amorf Analyse op materiaal KR → X-stralen → afgebogen door geordende vlakken atomen → diffractie patroon creëren AM → geen structuur → dus geen patroon mogelijk 1.1 KRISTALSYSTEMEN EN KRISTALROOSTERS Algemene eenheid cel → kleinste eenheid van kristalstructuur 3 zijdes = a,b,c /// 3 hoeken = a, b, g 7 structuren van Bravais - Kubisch: (a = b = c en α = β = γ = 90°) (kennen) - Hexagonaal: (a = b ≠ c en α = β = 90°, γ = 120° ) (kennen) - Tetragonaal: (a = b ≠ c en α = β = γ = 90° ) - Rhombohedrisch: (a = b = c en α = β = γ ≠ 90° ) - Orthorhombisch: (a ≠ b ≠ c en α = β = γ = 90° ) - Monoclien: (a ≠ b ≠ c en α = γ = 90° ≠ β ) - Triklien: (a ≠ b ≠ c en α ≠ β ≠ γ ≠ 90°) 14 kristalroosters (verschillende positionering van de atomen binnen de structuur) 1.2 KRISTALSTRUCTUREN VAN METALLISCHE MATERIALEN 3 manieren van voorstellen - Harde bollenmodel - Gereduceerde bollen eenheidcel - Kubisch vlak gecentreerde structuur 3 voornaamste structuren (!) - KRC = kubus ruimtelijk gecentreerd (BCC) - KVC = kubus vlak gecentreerd (FCC) - HDP = hexagonaal dichtste pakking (HCP) → CN = coördinatie getal= aantal dichtste buren van een atoom KRC / BCC → 1 atoom in het midden → Op elk hoekpunt 1/8 → totaal 2 atomen per eenheidcel → voorbeeld atomium → CN = 8 atomen → APF = 0,68 / 68% 1  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 KVC // FCC → 1/8 atoom op hoekpunt → ½ van een atoom op zijvlak → totaal van 4 atomen → CN = 12 → APF = 0,74 / 74% HDP // HCP → 12 hoekpunten, elk hoekpunt 1/6 → boven en ondervlak ½ van een atoom → Centrum, 3 atomen → totaal van 6 atomen per eenheidcel → CN = 12 → APF = 0,74 / 74% Enkele voorbeelden (!) Verband tussen a (zijde) en R (straal van een atoom) KRC: 4r / √3 KVC: a = 2r * √2 Atomaire pakkingsfactor (APF) berekenen: = hoeveel % ruimte wordt ingenomen door materie #"#$%&' )&* &&'+&,-./&0 ∗2$03%& 2"' 4 "#$$% 𝐴𝑃𝐹 = 2$03%& 2"' &&'+&,-./&0 4 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 1 𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚 = 𝜋 ∗ 𝑅! 3 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑒𝑒𝑛ℎ𝑒𝑖𝑑𝑐𝑒𝑙 (𝑉) = 𝑎! (𝑔𝑒𝑏𝑟𝑢𝑖𝑘 ℎ𝑖𝑒𝑟𝑣𝑜𝑜𝑟 ℎ𝑒𝑡 𝑣𝑒𝑟𝑏𝑎𝑛𝑑 𝑡𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛 𝑎 𝑒𝑛 𝑅) Dichtheid #"#$%&' )&* &&'+&,-./&0 ∗"#$$% %".." 2"' 4 "#$$% 𝐴𝑃𝐹 = 2$03%& 2"' &&'+&,-./&0 Dichtste stapeling kristalstructuren (CP= closed packed) Stapelsequentie - … ABABABABA … - … ABCABCABCABC … 2  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Allotropie (allotroop) → sommige materialen kunnen meer als dan één kristalstructuur hebben → kan veranderen in functie van Temperatuur of druk 2 voorbeelden ijzer (Fe) Tin (Ti) → kamertemperatuur → KRC → Tetragonaal bij kamertemperatuur → KVC → bij 912° C → diamant rooster onder de 13,2° C 1.3 KRISTALSTRUCTUUR VAN KERAMISCHE MATERIALEN → zijn anorganisch en niet-metallisch → grote variatie → complexe structuren → sommige hebben formule MX, MX2, M2X3 , … M = metaal, X = niet metallisch element → binding kan variëren van zuiver ionisch(M-NM) – zuiver covalent (NM-NM) 1.3.1 HOOFDZAKELIJK IONISCH Graad van ionisch → afhankelijk van Elektronegativiteit Metalenionen → kationen (positief) Niet-metaalionen → anionen (negatief) 2 eigenschappen → kristalstructuur beïnvloeden - De waarde van de elektrische lading van elk ion → elektrische neutraliteit MOET aanwezig zijn - De relatieve afmeting (ionstraal) → de ionstraal van kation < ionstraal van anion (regel) → elk kation → wilt zoveel mogelijk buren hebben (anionen) Keramisch materiaal → stabiele kristalstructuur = kation omring door anionen, in contact (aanraking) Bepalen van CN bij keramische materialen rkation / ranion = resultaat bepaalt het CN zie tabel voor de straal per kation en anion zie tabel voor bepalen van CN Enkele voorbeelden ClsCl → MX-type NaCl → MX-type - 2x eenvoudig kubusrooster - KVC (FCC) → in elkaar geschoven - CN = 8 è 0,170/0,181 - CN = 6 AL2O3 → M2X3 – type CaF2 → MX2 – type - belangrijk keramisch materiaal - Ca: KVC - complexe kristalstructuur (NK) - F: eenvoudig kubusrooster - CN =8 3  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 1.3.2 HOOFDZAKELIJK COVALENT Voorbeeld SiO2 → MX2 – type - kleine Elektronegativiteit - Kubus diamant rooster - Complex Koolstof structuren → behoren niet tot 1 van de 4 materiaalgroepen Allotrope vormen van koolstof 1. Grafiet Uit evenwijdige roostervlakken, hexagonale structuur Waalsinteracties tussen de vlakken C-atomen covalent gebonden Elektrisch geleidend Droog smeermiddel 2. Diamant Kubisch diamantstructuur Elk C-atoom: omring door 4 andere C atomen Extreem hard, transparant, hoge thermische geleidbaarheid 3. Fullerenen C60 → ontdekt in 1960 Bevat 20 zeshoeken & 12 vijfhoeken = Buck bals Kristalliseert in een FCC rooster 4. Carbon nanotubes (heel klein, maar sterk) Opgerolde laag grafiet → ontstaat een lange buis Zeer sterke vezel Weten er nog niet super veel over, zou gevaarlijk kunnen zijn bij inademen 1.4 Structuur van polymeren Polymeren - grote, lange moleculen Moeilijk te ordenen in regelmatig patroon Complexe eenheid cellen Semi-kristallijn of amorf PE (polyethyleen) - eenvoudige chemische structuur (zie cursus tekening ) 4  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 2: IMPERFECTIES 2.0 INLEIDING Kristallen → zelden perfect → fouten (punt, lijn, opp.) → Belangrijk aspect van materiaal 2.1 VASTE OPLOSSING – CHEMISCHE IMPERFECTIE Een oplossing ≠ een vloeistof Een oplossing kan vast of vloeibaar zijn Substitutionele vaste oplossing: (=vervanging) één type atoom vervangt een ander soort atoom → volledige oplosbaarheid indien voldaan is aan de Hume – Rothery - regels: - Minder dan 15% verschillen in atoomdiameter - Dezelfde kristalstructuur - Vergelijkbare EN- waarde - Dezelfde chemische valentie (anders beperkte oplosbaarheid) Interstitiële vaste oplossing: (=toevoeging) een kleiner vreemd atoom zit op een plaats die normaal niet bezet is door atomen Voorwaarden: - Atomen moeten vergelijkbare elektronegativiteit hebben - Diameter < beschikbare plaats (logisch Belang: maken van legeringingen om sterkte te verhogen - Bv: staal, C in Fe 2.2 PUNTFOUTEN Heel gelokaliseerde onderbreking van het rooster Voornaamste afwijkingen 1 Vacature → lege plaats in het rooster (ontbrekend deeltje) 2 Zelfinterstitieel →roosteratoom op een verkeerde plaats (waar normaal geen deeltje zit) 3 Vreemd atoom aanwezig - Substitutioneel(=Substitutionele legeringen) → op een normale roosterplaats (ter vervanging van een roosterdeeltje) - Interstitieel(=interstitiële legeringen) → op een plaats die normaal niet bezet is door deeltjes 2.3 LIJN FOUTEN OF DISLOCATIES → fout op 1 lijn → ontstaan bij stollen tijdens vervorming of mechanische vervorming 2 types - randdislocaties (=een extra halfvlak atomen aanwezig) (gemaakt door te schuiven) - schroefdislocaties (=roosterpunten liggen op schroeflijn) Kenmerken van dislocatie - Een dislocatie beweegt door het kristal o.i.v. een schuifspanning. - Bindingen tussen de atomen worden beurtelings verbroken. - Als schuifspanning blijft aangrijpen → randdislocatie beweegt verder tot uiteinde van kristal. - Kristal is blijvend vervormd. 5  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 2.4 OPPERVLAKTE FOUTEN OF KORRELGRENZEN = grenszone tussen 2 korrels die een verschillende oriëntatie vertonen Oppervlaktefouten ontstaan tijdens het stollen of vervormen van het materiaal 3 soorten 1. Tweelinggrenzen Gedeelte van kristal wordt omgeklapt; vormt spiegelbeeld Hoe ontstaan? - koudvormen Het heel snel vervormen 2. Subgrenzen (=tilt boundary) Orientatieverschil tussen twee kristallen bedraagtminder dan 2° Opgebouwd uit boven elkaar liggende dislocaties 3. Korrelgrenzen (=grain boundery) (!) - Bij grotere oriëntatieverschillen tussen kristallen (korrels) ontstaan gewone korrelgrenzen - De atoombezetting in deze tussenlaag is veel ijler dan in het rooster →Hogere diffusiesnelheid in de korrelgrenzen - bij stollen → Kiemvorming en kristalgroei - Bij bereiken van stoltemperatuur → kristallisatie begint op veel plaatsen tegelijk→ kiemvorming - Kiemen groeien uit tot korrels - Groeiende korrels die elkaar raken → versmelten tot 1 groot kristal als oriëntatie dezelfde is - Kans op zelfde oriëntatie is klein → in grensvlak een verstoorde stapeling van atomen. - Eindresultaat = polykristallijn materiaal = een materiaal met veel korrels met verschillende orientatie Korollegrootte afhankelijk vanafkoelsnelheid Trage afkoeling Snelle afkoeling Trage kiemvorming Snelle kiemvorming →weinig kiemen →veel kiemen →grofkorrelige kristallijne structuur →fijnkorrelige structuur = meestal gewenst 2.5 NIET-KRISTALLIJNE OF AMORFE MATERIALEN Atoomstapeling op 2 niveaus 1/ SRO (=short range order) = onmiddellijke buren 2/ LRO (=long range order) = verderop gelegen buren → Amorfe structuur - Geen repeterend 3dimensionaal patroon - terug te vinden bij SRO bv glas en aantal kunststoffen → Kristallijne structuur - Atomen vormen een regelmatig patroon dat zich herhaalt LRO bv meeste metalen en aantal keramische materialen Structuur bepaalt groot deel van eigenschappen! 6  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 3: MATERIAALEIGENSCHAPPEN 3.0 INLEIDING Materiaaleigenschappen → bepalen bruikbaarheid van technische materialen Keuze van materiaal → Hangt af van eigenschapen (kunnen gemeten worden met verschillende proeven) → Materialen met elkaar gaan vergelijken 3.1 SPECTRUM VAN EIGENSCHAPPEN Chemische eigenschappen → structuur en chemische samenstelling Fysische eigenschappen → wisselwerking van materiaal met diverse vormen van energie en met andere materie Mechanische eigenschappen → uitoefenen van een kracht op het materiaal → elastisch en plastisch gedrag → geven info over geschiktheid Aanschaf eigenschappen/fabricage overwegingen → product eigenschappen → Vorm en opp. eig. → beschikbaarheid (kopen) Gebruik maken van standaardtesten → ASTM =American society for testing and materials → ISO = international standard organisation → CEN = european committee for standardization 3.2 CHEMISCHE EIGENSCHAPPEN (4) Samenstelling - Metalen → verschillende elementen - Polymeren → formule van repeterende eenheid - Keramische → stoichiometrische samenstelling - Composieten → Aard van matrix en wapening Microstructuur - Korrelgrootte - Aanwezige fases - Uitgevoerde warmtebehandeling Metallografie = techniek om de microstructuur de bestuderen van metalen → klein stukje metaal afzagen, oppervlakte polijsten → chemisch etsen → korrelgrenzen bekijken (microscoop) Kristalstructuur → Bepalen of KVC, KRC, … → kan door röntgendiffractie Stereospecificiteit → belangrijk bij polymeren → 3D rangschikking van elementen Corrosieweerstand → afbraak van materiaal door reactie met omgeving → verschillende vormen 7  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 3.3 FYSISCHE EIGENSCHAPPEN (5) Thermische eigenschappen → rekening houden met - Wordt het materiaal gebruikt bij hoge of lage T - dienen voor overdracht van warmte? → Thermisch geleidingsvermogen is belangrijk Bv: bij vele toepassingen zoals warmtewisselaars, verwarmingsplaten, gietmatrijzen,… → kan berekend worden → thermische uiteenzetting → belangrijke bij verwarming van ongelijksoortige materialen → maximale gebruikstemperatuur → belangrijke bij Polymeren (eigenschappen verminderen bij T>100°C)(in veel gevallen) Waterabsorptievermogen → belangrijke selectiefactor bij polymeren Polymeren → volume neemt toe → relatieve vochtigheid stijgt Bv Nylon Elektrische eigenschappen elektrisch geleidend of isolerend → Metalen zijn goede geleiders voor de elektriciteit → Keramische materialen en polymeren → gebruikt als elektrische isolatoren Elektrisch geleidingsvermogen Soortelijke weerstand ρ (rho) = snelheid waarmee elektrische stroom passeert door een gegeven dwarsdoorsnede en over een gegeven lengte → ρ = AR / L (in Ωcm) A = oppervlak van de draad in cm2 R = weerstand in Ω (ohm) L = lengte van draad in cm Voor metalen → ρ ligt tussen 1 en 200 Ωcm → meestal goede geleiders Voor keramische materialen en polymeren → ρ meestal > dan 1015 Ωcm → vaak gebruikt als elektrisch isolatiemateriaal Optische eigenschappen Kan belangrijke selectiefactor zijn bij polymeren en keramische materialen → Transparant (doorzichtig) ↔ Opaciteit (maat voor licht ondoorlatendheid) → Reflectie van licht → Breking van licht 8  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Magnetische eigenschappen Complex → reactie van een materiaal op een magnetisch veld Ferromagnetisch = Materialen die sterk magnetiseerbaar zijn → Meeste staalsoorten (beneden Curie temperatuur), aantal nikkel- en kobaltlegeringen,…. → resultaat van aantal omstandigheden die verband houden met de magnetische momenten van elektronen en de configuratie van atomen in een materiaal → Meten van reactie van materiaal op magnetisch veld → via magnetische inductie (B) in het materiaal bij variërende magnetische veldsterkte (H) → Helling van de B-H kromme = maat voor magnetische eigenschappen 3.4 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN (8) Spanning Mechanische componenten → blootgesteld aan krachten trekken, duwen, schuiven, draaien of buigen 2 soorten vervorming door krachten → elastische vervorming (tijdelijk) → plastische vervorming (blijvend) 5 basistypen van spanningen → Uitrekking → Indrukking → Buiging → Schuifspanning → Torsie Spanning = relatieve maat voor de intensiteit van de kracht 𝐹 𝑘𝑟𝑎𝑐ℎ𝑡 𝜎 (𝑠𝑖𝑔𝑚𝑎)(𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔) = = 𝐴 𝑜𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘𝑡𝑒 RELATIE tussen KRACHT, VERVORMING en STERKTE van materiaal → belangrijk! Spanning σ = F / Ao (Ao=oorspronkelijk oppervlak) Ware spanning σw = F / Amin (Amin=werkelijk kleinste opp) Rek of Rek% ε = Dl/lo ε(%) = Dl/lo x 100% → Dl= verlenging → lo = oorspronkelijke lengte 9  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Elasticiteitsmodulus Wet van Hooke: σ = E*ε → σ = spanning → ε = rek → E = elasticiteitsmodulus Elasticiteitsmodulus is een maat voor de stijfheid van het materiaal E> → stijf materiaal Trekproef → Meet o.a. de sterkte van een materiaal → Reactie op trek- druk- en schuifkrachten kan gemeten worden → trekstaven in trekbank → Bepaalde staafvorm vereist (cilindrisch ofplat) → Trekproef uitvoeren tot aan breuk → vorm trekkrommes sterk verschillend → afh. van type materiaal σP = Proportionaliteitsgrens → de grens tot waar geldt: σ ~ ε σE = Elasticiteitsgrens/werkelijke rekgrens → maximale spanning σ0,2 = technische rekgrens of vloeisterkte → spanning om blijvende rek van 0,2% σT = treksterkte → maat voor sterkte van het materiaal → = Fmax / A0 Taai materiaal →grote breukrek → vaak een grote gelijkmatige verdeelde rek Ductiel materiaal → kent een grote insnoering (Ψ) → Ψ = ((Ao – Aeind) / Ao) x 100% Ao = oorspronkelijk oppervlak Aeind = uiteindelijk oppervlak Brosmateriaal (bv glas → kleine breukrek 10  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Betekenis van trekproeven → Geven informatie over stijfheid, sterkte, taaiheid van materiaal → Vorm van trekkromme kan ook bepaalde eigenschappen aan het licht brengen → Brosse materialen → geen tot zeer weinig plastische vervorming → Veerkracht = vermogen van een materiaal om elastische energie te absorberen - Gebied onder elastisch gedeelte van spanning-rek kromme geeft indicatie van veerkracht van materiaal → Taaiheid = vermogen van een materiaal om energie te absorberen voordat het breekt - Gebied onder volledige trekkromme tot aan breekpunt geeft indicatie over taaiheid van materiaal Verband tussen rek en spanning Voor PP en rubber (kunststoffen) : → geen rechtlijnig verband Voor metalen: → bij kleine rek: rechtlijnig verband Voor keramische materialen: → rechtlijnig verband ZIE OEF!!! Afschuifeigenschappen = spanning waarbij een met schuifspanning belast onderdeel breekt Hardheidsproeven Gemeten? → indrukken met hardheidsmeter→ effect meten Verschillende soorten testen, verschillende indruklichamen Hardheidsproef van Brinell (niet voor kunst stoffen) → kogel als oppervlak → resulterende indrukking meten → berekenen van Brinell hardheidsgetal (formule niet kennen) Methode Vickers (niet voor kunststoffen)(»Brinell) → piramidevormige punt (136° C) → lengte van diagonalen worden gemeten na indrukking → zacht materiaal grotere vervorming Rockwell hardheidsmeter → diamant, kogel uiteinde → verschil: diepte van indrukking – gemeten tijdens belasting → omgezet in hardheidsgetal Microhardheidsmeter → lagere krachten Duometer van Shore → vooral voor polymeren en elastomeren (rubbers) Elke methode → andere indruklichamen → resultaten niet altijd te vergelijken Voor keramische materialen → testen door oppervlak te bekrassen → met verschillende soorten mineralen (=hardheidstest van Mohs) 11  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Slagproeven Slagvastheid = meten van vermogen om schokbelasting op te vang Inkeping gemaakt in het materiaal (om zwak punt te creëren) → in houder vastgelegd → slingerhamer er tegen → temperatuur kan invloed hebben → bij lage temp van taai naar bros NDT = nil ductility temperature = temp waarbij slagvastigheid lager wordt dan bepaalde waarde Metaal → brosse breuk lager 21J Hangt af van materiaal tot materiaal Invloed van T is belangrijk - Vergelijking van taaiheid van staalsoorten - selecteren van polymeermaterialen op basis van hun weerstand tegen schokbelasting Vermoeiingsgrens(sterkte) Bepalen door een proefstaaf herhaaldelijk naar boven en beneden te bewegen → tot het breekt Kruip Weerstand van materiaal → tegen plastische vervorming → onder langdurige belasting Spanningsbreuk Spanning → onderdeel breekt onder langdurige belasting → bij hoge temperatuur 3.5 FABRICAGE OVERWEGINGEN Oppervlakte afwerking Invloed op de werking van een product → ruw (oneffenheid) Meten met microscoop, AFM (Atomic force microscopy) → textuur Macroscopisch waarnemen Overweging van grootte en vorm → materiaalkeuze factor → is het verkrijgbaar in welke vorm je nodig hebt 3.6 INFORMATIE OVER EIGENSCHAPPEN → datebase (CES databank = betalend) → termenlijst Zie handboek voor welke termen te kennen zijne → samenvatting 12  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 4 POLYMEREN: 4 materiaal groepen - Polymeren - Polymeercomposieten - Keramische materialen - Metalen Als eerste Polymeren bespreken → komen in de natuur voor (rubber, wol, katoen, …) → eerste semi-syntetisch polymeer 1838 → celluloid (katoen met salpeterzuur → eerste synthetisch → bakeliet → vanaf 1930 een snelle ontwikkeling (tijdlijn niet kennen Organische chemie (achtergrond nodig om polymeren te begrijpen) → basis voor polymeren → Koolstof → zeer belangrijk element op aarde dat veel voorkomt C → 4 bindingsmogelijkheid - 4 bindingspartners (4 enkele)( SP3 (109,5°)) - 3 bindingspartners (2 enkele, 1 dubbele) (SP2 (120°)) - 2 bindingspartners (1 enkel, 1 tripel)(Sp (180°)) - 2 bindingspartners (2 dubbele )(Sp (180°)) Koolwaterstoffen (enkel C en H) Functionele groepen Alkanen – CnH2n+2 Alkyn – CnH2n+1 → enkel enkelvoudige bindingen → vrije = alkaan – 1H atoom draaibaarheid Suffix (-yl) → prefix + suffix (meth, eth, prop, but + aan) Bv: methyl ethyl, propyl Bv methaan, ethaan (isomeren →bijzaak bij polymeren) Alkenen – CnH2n Alkenyl CnH2n-1 → dubbele binding tussen C→ reactief centrum = alkeen – 1 H-atoom → suffix: -een → suffix: -yn Alkynen – CnH2n-2 Alkadienen – CnH2n-2 → drievoudige bindingen → 2 dubbele bindingen → suffix -yn Suffix: -dieen Aromaten Bv benzeen Functionele groepen (er zijn er nog meer, dit is maar een basis) → 1 of meerdere hetero-atomen → R-X ( X=F,Cl,Br,I) (halogeenalkanen) → R-OH (alcohol)(alkanol) → R-O-R’ (ether)(alkoxyalkaan) → R-C(=O)-H (aldehyde) (alk anal) → R-C(=O)-R’ (keton) (alk anol) → R-C(=O)-OH (carbonzuur) (alkaanzuur) → R-C(=O)-OR’ (ester) (alkylalkanoaat) → R-NH2 (amine) → fenol Polymeer chemie → nauw verbonden met organische chemie → verschil → hele lange structuur → reuzen = macromolecule → in vergelijking met koolwaterstof → we moeten zoveel mogelijk polymeren recycleren 13  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 4.1 POLYMERISATIEREACTIES Enkele begrippen Monomeer = organische molecule, bouwsteen van het polymeer Polymeer = macromolecule Oligomeer = klein aantal bouwstenen Repeterende eenheid = stuk dat telkens opnieuw voorkomt en dat je tussen vierkante haken zet Polymerisatiegraad = het aantal repeterende eenheden per polymeerketen Homopolymeer = polymeer opgebouwd uit 1 soort monomeer Copolymeer = 2 verschillende monomeren - statistisch (met iedereen reageren) - alternerend (enkel met het andere monomeer) - blok (monomeer staat in blok) - ent of graft Terpolymeer = 3 verschillende polymeren Polymeer blend = fysisch mengsel van verschillende polymeren Additie- en condensatiepolymerisatie Additie polymerisatie → alle atomen komen in polymeer terecht → zelfde samenstelling als afzonderelijke monomeren Condensatie polymerisatie → klein molecule afgesplitst → eenheden in polymeer andere structuur dan monomeren Reactie condities - Aanwezigheid van katalysator - Verhoogde T - Verhoogde druk - Reactie tijd Molecuulmassa is heel belangrijk (lengte van de ketens→ invloed op eigenschappen 4.2 BASISTYPEN VAN POLYMEREN 1 Linair polymeren – thermoplasten → polymeer ketens verstrengelen in elkaar (zoals spagetti) → chemisch gezien niet aan elkaar gebonden → zwakke interacties tussen de ketens HDPE = Hoge densiteit polyetheen → Omdat ze lineair liggen en dus dicht tegen elkaar liggen 2 lineair vertakte polymeren – thermoplasten → ontstaan door zijreacties tijdens polymeer synthese LDPE = lage densiteit polyetheen → verminderde dichtheid, kunnen minder dicht naderen 3.1 beperkt vernette polymeren -elastomeren → chemische bindingen → dwarse bindingen tussen polymeerketens → cross-links → bij rubber door vulkanisatie 3.2 sterk vernette polymeren - thermoharders → sterke graad van dwarsbindingen → meer cross-links 14  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Hoofdindeling van Polymeren 1 Thermoplasten - Lineair of lineair vertakt (onvernet) - Week (vloeibaar) bij opwarming omdat ze onvernet zijn - Recyclage mogelijk door te smelten - Bij hoge temperatuur treedt decompositie op - Oplosbaar in het geschikte solvent 2 Elastomeren - Beperkte vernette polymeren - Rubberachtige eigenschappen - Worden niet plastisch bij hoge T - Bij hoge T → decompositie - Onoplosbaar in solventen → soms zwellen → omdat ze covalent aan elkaar hangen 3 Thermoharders - Strak 3 dimensionaal netwerk - Covalente bindingen - Bros, maar te versterken met vulstof - Niet plastisch bij hoge T - Onoplosbaar in solventen 4.3 POLYMEER EIGENSCHAPPEN Ketenverstijving → veroorzaakt door grote substituantgroepen op hoofdketen → bewegelijkheid word kleiner → stijver maar ook sterker Bv polystyreen → met een benzeengroep → die is relatief groot Sterkte en stijfheid kan ook gewijzigd worden door locatie van zijgroep a. Isotactisch = CH3 groepen aan dezelfde zijde van het vlak (hoge steroemaat → kristaliseren) b. Syndiotactisch = CH3 groepen staan afwisselend voor en achter het vlak c. Atactisch = CH3 groepen zijn at random groepen geplaats Amorfe en semikristallijne thermoplasten (verschillende eigenschappen) Structuur bepaald door - Ketenvertakking - Stereoregelmaat - Polariteit - Sterische hinder - … Semikristallijne polymeren - Regelmatige structuur - Kleine zijgroepen - Sommige stukjes iet mooi geordend → naam semi Amorfe polymeer - Willekeurige structuur 15  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Effect van temperatuur op stijfheid van Polymeren Begrippen (over thermoplasten) (altijd over een stuk, segement) TG = glasovergangstemperatuur (enkel amorf)(van glas → naar rubber) → ketensegmenten gaan bewegen waardoor soepeler TV = vloeitemperatuur (van amorf) TM = smeltpunt (kristalijn) Thermoplasten A = amorf materiaal (tg, tv) - a1 = lagere molecuulmassa - a2 = hogeremolecuulmassa B = volledig kristalijn materiaal C = semi kristalijn thermoplast (theoretisch) D = semi kristalijn thermoplast (praktijk) Elastomeren (amorf) - Beperkt chemisch vernet - Allemaal een TG onder kamertemperatuur - Rubber dat invriest is heel bros - Kamertemperatuur is het rubber Thermoharders (amorf) - Tg boven kamertemperatuur - Kleine daling bij Tg → heeft te maken met structuur - Sterk chemisch vernet - Gaat stijfheid maar weinig daling (curves kunnen tekenen en herkennen ) Zie handboek voor samenvattingen → de moeite om te leren Additieven - in kuststoffen worden dingen toegevoegd → om materiaal te verbeteren Additieven zijn nodig om polymeren te verbeteren Niet in detail op ingaan Thermoharders zijn bros → additieven toevoegen (rubbers) → minder bros ! stabiliseringsmiddelen en antioxidanten → belangerijke aditieven Naamgeving Kunststof = polymeeer + aditieven Polymeer = polymeer Heterogene en homogene mengpolymeren Polymeren mengen → fysische mengels niet chemisch Homogeen mengsel(vaste stof) → 1 fase → 2 of meer polymeren mengbaar op macromolucailere schaal → Heterogeen mengsel (vaste stof) → 2 fase → polymeer niet mengbaar op macromolucair schaal → allebei aparte Tg 16  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Interpenetreerende netwerken - blend - semi IPN - IPN 4.4…10 POLYMEERGROEPEN → deze hoofdstukken in het handboek niet kennen → enkel slides → samenvatting van al deze onderdelen Meer dan 15.000 commerciële verkrijgbare kunststoffen (Allemaal met kleine aanpassingen) → behoren tot 20 polymeerklasse Dus polymeren verdelen in 3 grote groepen (zie boven)(TP,TH,E) Thermoplasten → meest gebruikt (80) → gemakkelijk te synthetiseren zijn THERMOPLASTEN (naam+ chemische formule kennen) (van sommige 1. Polyetheen (PE) → → gebruiksfolie, gebruiksvoorwerpen 2. Polypropeen → enkel het Isotactisch → → verpakkingen van voedingsindustrie, charcuterie 3. polyvinylchloride (PVC) → buizen, tuinslang → 4.Polystyreen (PS) → → met benzeemring (helemaal amorf) → schuim 5. Polytetrafluoretheen, (PTFE) → teflon → Tefal pannen 6. Polyesters (PET) → alcohol en een zuur → polyetheentereftalaat → pet flessen 7.Polyamiden → Nylon 6,6 8. Polymethylmethacrylaat (PMMA) → Plexiglas 17  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 THERMOHARDER 1. Fenol-formaldehyden (PF) → bakeliet (bruin achtig) 2. Onverzadigd polyester (UP) → in chemische structuur zitten dubbele bindingen → vandaar onverzadigd → jacht/kunststofbad ELASTOMEREN 1. styreen-butadieenrubber (SBR) → autobanden → 2. Isopreenrubber (IR) → spuitgietartikelen → chemisch vernette met zwavel THERMOPLASTISCHE ELASTOMEREN (Behoren tot elastomeren) (TPE) → fysisch vernet (NIET chemisch vernet) → afkorting: TPE → blok-copolymeer waarvan → één polymeer → een Glasovergangstemperatuur boven KT → één polymeer → een Glasovergangstemperatuur onder 0° → stuk van het elastomeer is langste → polymeer laten vloeien en recycleren → bruggen tussen rubberketendelen →vb SBS 4.11 FABRICAGE PROCESSEN VAN THERMOPLASTISCHE POLYMEREN Smelten(gemakkelijk) → zo een vorm mee maken Grote/ kleine voorwerpen maken → matrijs nodig 3 processen te kennen (ook nog andere bv kalanderen, rotatiegieen, gieten, …) 1. Spuitgieten (basischets kunnen maken) →polymeer in korrelvorm → vultrechter vullen en inbrengen in schroef injectie machine Gesmolten polymeer onder druk inspuiten in matrijs →afkoelen → matrijs openen & voorwerp uitwerpen Belangerijkste techniek voor massa productie NADEEL: metalen matrijzen zijn duur , niet mogelijk voor alle polymeren (herkent aan inspuitpunt) Spuitgietblazen → gecombineerd van gieten blazen → inspuitpunt → productie van petflessen 18  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 2. Blazen (flesblazen) → productie van holle voorwerpen → eerst extrusie van holle slang → voorwerpen hebben een knijpribbel (herkenning) → opblazen met perslucht → matrijs onder hoek van 90° graden t.o.v. schroef → tegen de schrijfwanden geblazen 3.1 Extrusie → gesmolten in een extruder → door spuitmond geblazen → verschillende vormen (L,U,O …) → snel proces → variant: blazen van plastic zakken 3.2 Folieblazen → Ringvormige spuitmond geperst → spuitkop onder hoek van 90° → kan tot 10 meter hoog zijn → bv plastice zakken 4.12 FABRICAGE PROCESSEN VAN THERMOHARDENDE POLYMEREN - Vloeibare harse of vaste deeltjes (vernetting gebeurt tijdens vormgeving) - Hars mengen met crosslinker Eenmaal een thermoharder gevormd is → kan deze niet opgesmolten worden Enkele soorten - Persen - Gieten - Spuitgieten - Transfer persen Persen → Verwarmde en afgemeten hoeveelheid materiaal in een open matrijs plaatsen → matrijs sluiten met bovendeksel → warmte en druk uitoefenen totdat materiaal holte geheel heeft opgevuld en gehard is → Meest gebruikt proces voor thermohardende materialen → Harding thermohardende polymeren kost tijd → langere cyclustijd dan spuitgieten 4.13 MOLECUULMASSA EN MASSAVERDELING (eigenlijk niet kennen, maar gwwn ter info) Eigenschappen - Chemische structuur - Vertakkingsgraad - Gemiddelde molecuulmassa - Molecuulmassa verdeling Molecuulmassa heeft invloed op - Viscositeit van polymeer - Mechanische eigenschappen Polymeren zijn mengsels van molecule met een verschillende molecuulmassa 19  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 5: POLYMEERCOMPOSIETEN 5.0 INLEIDING 3 materiaalgroepen met elk voor en nadelen Nadelen Voordelen - metallische materialen zijn doorgaans zwaar - Metallische zijn taai - Keramische materialen zijn altijd bros - Keramische tegen hoge temp - Polymeren kunnen niet tegen hoge temperatuur - Polymeren zijn zeer licht ==> materialen gaan mengen om zo eigenschappen te combineren Wat? Composietmateriaal 2 fases → een matrix (polymeermatrix) (epoxy, onverzadigd polyester, thermoharder, later thermoplasten) → Gedispergeerde fase (wapening) (zit in de matrix) (glasvezel, grafietvezels, aramidevezel, metaal of keramisch materiaal) → hoe dit verdeeld is bepaald u eigenschappen → concentratie, grootte, vorm, distributie, oriëntatie Deeltjes versterkte composiet - matrix draagt de last over naar de harde en stijve deeltjes, waarbij een goede hechting tussen matrix en deeltjes essentieel is, Versterking met ‘grote deeltjes’gevuld polymeer: Vb: autoband: matrix: rubber ; wapening: roet koolstof deeltjes Vezel versterkte compositie - bv: kogelwerend vest - epoxyhars composiet met aramide vezels Structuur versterkte composiet - bv: laminaat - verschillende lagen - honinggraat structuur → sterk en licht 5.1 OPBOUW VAN POLYMEERCOMPOSIETEN Soorten versterkingen - wapening tot 70% (hoe hoger, hoe sterker, hoe duurder) - lange vezels - Een vezelmat - Een weefsel - Korte vezels, vlokken, korrels (discontinue) DOEL: verbeteren van Mechanische eigenschappen Discontinue wapening → verbetering van korte termijn gedrag Continue wapening → verbetering van lange termijn gedrag Polymeercomposieten → roesten niet en zijn licht, … Soorten versterkingen → kunnen schetsen → Zie foto Begrippen → betrekking op dichtheid Specifieke sterkte = treksterkte/ dichtheid Specifieke stijfheid = E/ dichtheid → gebruiken als materiaal een bapaalde sterkte of stijfheid moet hebben 20  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 5.2 MATRIX MATERIALEN Functie van een matrix → het doorleiden van belasting → de krachten op de wapening overbrengen De matrix → kan metallisch, keramisch of polymeer zijn → in dit hoofdstuk enkel kunststof matrix Belangrijke eigenschap van de matrix → hechting moet goed zijn (tussen vezel en matrix) Thermoplastische matrix - Hechting aan wapening niet zo gemakkelijk - Wapening: glas, koolstofvezels, aramide vezels (meest voorkomend) - Polopropeen, polyamide (meest voorkomende matrix) - In persmatrijs o.a. vorm gegeven Thermohardende matrix - Meest gebruikt - Matrix bestaat meestal uit vloeistof met lage viscositeit - Niet vernet polymeer waar je vernetter aan toevoegt - Ook katalysator en UV aan toevoegen om zo crosslinks te laten ontstaan - Belangerijke soorten: Onverzadigd polyester, fenolharsen, epoxyharsen, siliconenpolymeren 5.3 VERSTERKINGEN(=wapening) → verschillende soorten → deze gaan we bespreken Metalen - Niet zo vaak, te zwaar - Problemen met hechting vanwege glad oppervlakte - Metaalskelet, honinggraad - Toepassing, binnen panelen van vliegtuigen - Vrij duur Asbest - Veiligheidsprobleem - Zeer weinig tegenkomen - Enkel toxisch bij vrijkomen van vezels - Zeer gezicht voor de bevochtiging met harsen van lage viscositeit - Onbrandbaar en bestand tegen chemische aantasting Keramische materialen - Sterker en stijver dan glasvezels - Duurder - Dunne vezels of korrels - Zeer hoge treksterkte en hoge E - Gebruikt in lucht en ruimtevaart Polymeren - Voorbeelden (Kevler, Nomex) - Voor wapening van thermo harden/plasten - Vb. kano, kogelwerend vest 21  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Borium - Hoge E, maar ook heel duur - Dikke vezel - Lucht en ruimte vaart Koolstof-grafiet - Bv carbon fiets - Hoge sterkte en elasticiteitsmodulus - Strengen, weefsels, korte vezels Glasvezels - Meest gebruikt - Gemaakt door gesmolten glas - E-glas = borosilicaatglas - S-glas = hoge sterkte → gemaakt uit oxide - In alle vormen beschikbaar - Vezels → strengen → roeving - Matten vormen (kriskras door elkaar)(niet geweven) Specifieke sterkte in functie van specifieke stijfheid ` Vezel versterkte composiet Spanning-rek functie Rood – vezel (bros) Blauw – matrix (ductiel) Treksterkte: vezel>matrix Breukrek: matrix>vezel Combinatie van de 2 → verloop van de groene grafiek Fase I (0→ vloeigrens) Elastisch vervormen (matrix en vezel Fase 2 (vloeigrens → breekmoment vezel) Plastische vervorming bij matrix Heling zwakt af Vezel gaat op een bepaald moment breken 22  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 5.4 FABRICAGETECHNIEKEN Handlamineren → mal → brengt eerst een hars (matrix) aan Dan wapening → dan nog wat hars → dan laten uitharden (onder invloed van T of UV) Herhalen voor verschillende lagen Spuiten van gesneden vezels Mal → met spuitpistool 2 elementen samen spuiten Operator gaat voor goede verdeling zorgen Ruwe schets kunnen maken 5.5 EIGENSCHAPPEN EN TECHNIEKEN Zeer belangrijke technische materialen Vaak goedkoper dan metalen (meestal glasvezel polyester) Eigenschappen - Hogere specifieke sterkte en stijfheid dan metalen - Lichte materialen - Worden bepaald door wapening en matrix - Residentie tegen omgevings invloeden Toepassingen - 50% wordt gebruikt in de bouwsector en transportsector - Douchecellen, badkuipen, zwembaden, gootstenen,…. - Onderdelen van auto’s, autobussen, treinstellen, vliegtuigen,…. - Zeevaart - Elektronica - Recreatiesector: kajaks, tennisraketten, ski’s, golfstick, jetski, fietsen,…. - Industrie: pijpleidingen, silo’s, opslagtanks, windturbine’s,…. 23  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 6: KERAMISCHE MATERIALEN 6.0 INLEIDING Metallische en niet metallische elementen → meestal anorganische → grote variatie in chemische samenstelling → atomen worden bijeengehouden door ionbindingen of covalente bindingen → veel gebruikt in materialen in de keuken → materialen van de toekomst: protheses en computerchips → technische keramische materialen → cermets = metalen met keramische materialen (gecombineerd 6.1 KENMERKEN VAN KERAMISCHE MATERIALEN Eigenschappen - Hoge hardheid - Kristallijne brosse materialen - Ion of covalente bindingen tussen atomen - Hoge temperatuurbestendigheid (!) - Goede kruipweerstand - Gesinterde carbiden, glassoorten, koolstofgrafiet materialen → eigenlijk geen keramische materialen → maar gebruikt voor dezelfde toepassingen - Cermets → composieten samengesteld uit keramische materialen 6.2 HOE KERAMISCHE MATERIALEN WORDEN GEMAAKT Glas - Basis is zand (SiO2) - Mengen met basisch oxide - Smelten en vormen tot glas Eigenschappen glas - Goede mechanische eigenschappen - Harden dan een aantal metalen - Bros, breekt bij vervormen - Resistent tegen veel zuren en chemicaliën Siliciumcarbide SiC Vertrekkend van zand → mengen met cokes (C)(koolstof) → lange tijd verhitten (enkele dagen) → samengesmolten materiaal verguizen tot deeltjes van verschillende grootte → de deeltjes hechten aan een organisch bindmiddel of verglazen 24  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Wolfraamcarbide WC → ongeveer hetzelfde gemaakt als SiC → wolfraampoeder wordt gecarboneerd → vormproduct maken door poederdeeltjes te laten binden met Co-poeder Eigenschappen van carbide - Grotere stijfheide dan staal - Hogere dichtheid dan staal - Grotere druksterkte - Grotere hardheid - Goede treksterkte - Moeilijk vorm te geven 2 belangrijkste fabricageprocessen van keramische materialen Verglazing Glas toevoegen aan keramische poeder → glas als bindmiddel (kleinere hoeveelheid → gieten in een vorm en op hoge temp brengen → zo gaat glas rond poederdeeltjes vormen Compacteren → Keramisch verbinding fijnmalen tot poeder → Bindmiddel toevoegen en mengen → bindmiddel verwijderen door verhitten → materiaal word denser en sterker Sinteren = bakken → uitvoeren bij T lager dan Tm → deeltjes ondergaan viskeuze stroming → atomen diffunderen van het ene deeltje naar het andere → overgangsrooster tussen de kristallen → porositeit daalt → voorwerp krimpt 6.3 DE MICROSTRUCTUUR 25  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 6.4 DE EIGENSCHAPPEN VAN KERAMISCHE MATERIALEN 1. mechanische - Brosse materialen – lage slagvastheid - Treksterkte is moeilijk te meten - proefstalen moeilijk te maken en door grote hardheid moeilijk in te klemmen - Buigtest is relevanter - Geen overgang van elastisch naar plastisch gedrag - Druksterkte is zeer hoog - Hoogste hardheid van de technische materialen - Hoogste stijfheid van alle materialen - Goede kruipvastheid bij drukbelasting 2. fysisch - Lage dichtheid in vergelijking met metalen → kan duiden op hoge porositeit - Hoge smeltpunten → hoge temperatuurresistentie - Meeste keramische materialen zijn isolatoren voor warmte en elektriciteit - Hou rekening met waterabsorptie bij poreuze keramische materialen 3. chemisch - Technische keramische materialen zijn meestal kristallijn - Sommige zoals glas zijn amorf - Kristallisatietoestand kan niet gewijzigd worden door een warmtebehandeling - Goede weerstand tegen chemische aantasting 4. verwekbaarheid - Keramische materialen zijn niet plastisch te vervormen bij kamertemperatuur - Kunnen niet gesmolten worden en in een vorm gegoten worden vanwege hoog Tm → kunnen door gieten niet tot vormproducten worden verwerkt 26  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 HOOFDSTUK 7: METALEN 7.0 INLEIDING Staalsoorten → grote materiaalgroep onmogelijk allemaal te bespreken → staalsoorten zijn de belangrijkst → legering van ijzer + koolstof (ook nog andere legeringselementen aan toegevoegd) → 100 verschillende staalsoorten → hulpmiddel bij bouwen: werktuigen, infrastructuur, vervoermiddelen → ze zijn heel zwaar, veel vervangen door composieten, maar niet alles 7.1 HET VOORBEREIDEN VAN IJZERERTS → grondstoffen voor staal = IJzeroxiden → in de aardbodem Belangrijke ijzerertsen - Hematiet (FE2O3) (vrij zuiver) - Magnetiet (FE304) (vrij zuiver) - Taconiet (silicium houdend gesteente) Uit erts worden ijzerrijke bestanddelen verzamelen → aan elkaar gesinterd tot knikkers = pelletiseren (om dat dit meest eenvoudige is om in hoogoven te steken) → gepelletiseerde ijzeroxide → hoogoven gebracht langs boven → we willen metallisch ijzer er uit halen → zuurstof (oxide) wordt verwijderd → door reductie → met behulp van C en O C en CO zetten: ijzeroxide → metallische Fe 3de component: Kalksteen → onzuiverheden uit erts gaan binden tot vloeibare slak → word afgetapt → gebruikt voor grondophoging als betonaggregaat Het gesmolten ijzer → afgetapt onderaan aan de oven = Ruwijzer (onzuiver met hoog %C) Onderaan afgetapt omdat hoogste densiteit heeft → afgetapt naar transport ovens Hoe lager in de oven → hoe hoger temperatuur 260° - 2000° 7.2 HET BEREIDEN VAN STAAL Chemische samenstelling van staal → Legering van ijzer en Koolstof → Als C < 0.005% = zuiver Fe (zacht, ductiel, niet erg sterk) → Als 0.06% < C < 2% = staal → Als C > 2% = gietijzer (bros) → Ruwijzer → 4 à 5 % koolstof → bevat ook te veel silicium, zwavel , fosfor, en mangaan Verschillende processen om onzuiverheden eruit te halen → gebaseerd op oxidatie 27  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 7.3 HET RAFINEREN VAN STAAL twee staalbereidingen uit ruwijzer 1/ Het oxystaalproces → peervormig stalen vat → gevuld met ruwijzer, schroot, vloeimiddelen → via zuurstoflans O2 in metaal bad blazen → zorgen voor daling van C →Ar en vloeimiddelen → hulpmiddelen → belangrijkste raffinageproces 2/ elektro-oven proces → oven met ruwijzer en/of ruwijzer → smelten door elektrische boog te trekken tussen smelt en grafiet elektroden → raffinageproces wordt uitgevoerd door een in de smelt gebrachte zuurstoflans en door de werking van vloeimiddelen → Meestal zuiver staal, maar duurder Secundaire staal bereiding en speciale raffinageprocessen Doel: chemische samenstelling te veranderen, extra legeringselementen toete voegen en onzuiverheiden er nog uit te halen 1/ gieten van ingots (slide niet kennen) 2/ continugieten → Staal wordt in een gietpan gegoten → vervolgens in trechter → toevoer naar gietmachine → Matrijs van gietmachine bepaalt vorm van halfproduct → matrijs wordt met water gekoeld → gesmolten staal blijft in matrijs tot een massieve huid gevormd is → Wanneer de kern gestold is → versnijden in stukken → gaan verder naar andere machine’s →Er vormen zich korrels → Heeft grote invloed op eigenschappen van het staal → Korrelgrootte houdt verband met sterkte → Staalsoorten met kleine korrels zijn meestal sterker dan staalsoorten (met zelfde samenstelling) met grotere korrel 7.4 HET OMVORMEN VAN STAAL De metaalkunde van gewalst staal → staal walsen om vorm te krijgen → plastische, blijvende vervorming → kristalstructuur vervormen → via glijvlakken Warm walsen - plaat is nog voldoende warm - dikte reduceren door te walsrollen → korrels worden platgedrukt - Rekristallisatie = korrels groeien direct terug aan elkaar Koud walsen - staal gaan harden - geen dynamische rekristallisatie - blijven vervormd - mechanische eigenschappen worden verbeterd (harder sterker) → vervormbaarheid daalt 28  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Morfologie van staal → Staal = legering van ijzer en koolstof met C gehalte tussen 0,06% en 2,0% → Ferriet – KRC – α-ijzer (max 0,0218% C) - stabiel op KT - zacht, ductiel, magnetisch →Austeniet – KVC – γ-ijzer (max 2,08% C) (hoger! dan Ferriet) - wordt gevormd op hogere T - zacht, matig sterk, niet-magnetisch → Cementiet (=ijzercarbide)– Fe3C (met 6,7% C)(wel hoog) - verbinding van ijzer en koolstof - hard en bros Roostertypes van staal KVC KRC TRG = tetragonaal ruimtelijk gecentreerd rooster FE-C fase diagram à je kan verschillende samenstelling in terugvinden à kunnen tekenen à temperaturen niet exact 29  SAMENVATTING MATERIAALKUNDE-1 // Vincent Jacobs // 2020-2021 Warmtebehandeling van staal - Staal onder invloed van temperatuur → eigenschappen gaan aanpassen Witte bollen = ijzeratomen Zwarte bollen = koolstofatomen Wat gaan we doen Ferriet verwarmen to bepaalde temperatuur à veranderen in austeniet KRC à KVC Een KVC rooster kan veel meer koolstof atomen bevatten Traag afkoelen of snel afkoelen (meestal met water) Bij traag afkoelen geeft ge koolstof atomen de tijd om terug te verdwijnen à dan keren we terug naar een KRC rooster We gaan snel afkoelen Austeniet is niet stabiel dus wilt omvormen tot KRC rooster Maar koolstof atomen zitten in de weg dus zal er Martensiet (TGR) gevormd worden Aantal C-atomen in martensiet = aantal C-atomen in Austeniet Door snelle afkoeling à ook wat fouten in rooster à waardoor het staal steviger wordt à dit noemt men afschrikharden Om een volledig geharde structuur te verkrijgen (100% martensiet) → koolstof-gehalte van ca 0,6% Microstructuur van Ferriet Microstructuur van Austeniet Basiseisen voor het harden van koolstofstaalsoorten: Verwarmen tot austenitische temperatuur Voldoende hoog koolstofgehalte Snelle afkoeling Praktische nut → staal door wijzigen van kristalstructuur → veranderen van zacht/gemakkelijk vervormbare toestand naar harde en sterke toestand. 30