Sammenvatting MT : Samenvatting van de punten die ik nog heb onthouden vanuit de toets, meer punten ? graag laten weten ! inhoudsopgave Kristalstructuur ................................................................................................................................ 2 Ionen................................................................................................................................................ 2 Amorf ............................................................................................................................................... 2 Trekkromme .................................................................................................................................... 3 Hardheidsproeven ........................................................................................................................... 4 Polymeren ....................................................................................................................................... 6 plastische vervorming ..................................................................................................................... 8 microstructuur ................................................................................................................................. 9 Bronze.............................................................................................................................................. 9 Kristalstructuur Veel vaste stoffen hebben een kristalstructuur. Dat wil zeggen dat ze uit een regelmatig patroon van deeltjes bestaan, zoals moleculen, atomen of ionen. De structuur van de kristallen, hun groei en andere macroscopische eigenschappen zijn het onderwerp van de kristallografie. Ionen Een ion (uitspraak met klemtoon op o) is een elektrisch geladen atoom of molecuul, of een groep atomen met een elektrische lading, een zogeheten polyatomisch ion. Een ion kan positief of negatief geladen zijn door respectievelijk een tekort of een overschot van een of meer elektronen. In de natuur- en de sterrenkunde beschouwt men meestal geïsoleerde atomen of moleculen; in de scheikunde en de biologie bevinden de geladen atomen en moleculen zich doorgaans in een waterige oplossing (elektrolyt) Amorf Amorf is een term uit de natuurkunde en de scheikunde: amorf materiaal of een amorfe stof is vaste stof zonder een kristallijne structuur. Bij een amorf bevindt zich geen regelmaat van een kristalstructuur. Amorfe stoffen ontstaan uit een vloeibare fase door snel afkoelen. Doordat de stof zo snel afkoelt, krijgen de atomen of de moleculen, die in de vloeistof snel en willekeurig door elkaar bewegen, tijdens het stollen geen tijd om zich in hun kristalstructuur te vestigen, ook al is de kristallijne fase energetisch gunstiger. 2 Trekkromme A: proportionaliteitsgrens. Boven dit punt is de rek niet meer lineair afhankelijk van de spanning, zie Wet van Hooke. B: elasticiteitsgrens, bovenste vloeigrens, boven deze grens vervormt het materiaal plastisch. C: (onderste) vloeigrens. Hier start het materiaal met vloeien. Praktisch gezien vallen de punten A, B en C samen: enkel de bovenste vloeigrens wordt gegeven. D: start verstevigen, E: treksterkte (σUTS: Ultimate Tensile Strength), F: breuk. Voor een bros of steenachtig materiaal (een materiaal dat weinig rekt en niet plastisch vervormt maar breekt) zijn D en E niet gedefinieerd; F valt samen met A,B en C. Bij een dergelijk materiaal zal de druksterkte een stuk hoger liggen dan de treksterkte E, bijvoorbeeld beton dat een druksterkte van 52 MPa heeft kan een treksterkte van circa 6 MPa hebben. I: elastisch gebied. Als de trekkracht van het materiaal wordt af gehaald, zal het materiaal weer in de oorspronkelijke toestand terugkeren. De helling van dit stuk is een maat voor de elasticiteitsmodulus. II: vloeien. In deze fase kan men stellen dat het materiaal als een vloeistof reageert: de rek verandert onder quasi constante spanning. III: versteviging. In dit gebied zal het materiaal door het lopen van dislocaties verstevigen. IV: insnoering. In het gebied I+II+III zal het materiaal al zijdelings verkorten (door het poisson-effect), vanaf E zal de proefstaaf op een bepaalde plaats erg binnen insnoeren. In dat gebied zal de spanning blijven stijgen, tot het proefstuk bezwijkt. Buiten de plaats waar de dwarsdoorsnede insnoert, daalt de spanning (zoals op de figuur). Het materiaal echter, bezwijkt wel degelijk op een (ware) spanning hoger dan de σUTS! 3 https://www.tosec.nl/wiki/spanning-rekdiagram/ Hardheidsproeven I. Brinell Bij de hardheidsmeting volgens Brinell wordt een kogel van gehard staal, of van wolfraamcarbide, in het te testen materiaal gedrukt. Deze kogel heeft meestal een diameter van 10,00 mm, maar afhankelijk van het te testen materiaal worden ook diameters van 5, 2,5 of 1 mm gebruikt. In principe geldt: hoe harder het materiaal des te kleiner de gebruikte kogel. De kracht waarmee gedrukt wordt, kan ingesteld worden afhankelijk van het te onderzoeken materiaal. De grootte van de indrukking is een maat voor de hardheid van het materiaal. De mate van indrukking wordt bepaald aan de hand van de diameter van de indrukking. 4 II. Vickers Bij de Vickers-hardheidstest wordt een diamanten vierzijdige piramide met een tophoek van 136° in het te meten object gedrukt met een kracht F. De kracht wordt binnen 2 tot 8 seconden opgebouwd en vastgehouden gedurende 10 tot 15 seconden. Na het wegnemen van de kracht worden de beide diagonalen (d1 en d2) opgemeten met behulp van een meetmicroscoop. Door het weggedrukte oppervlak te bepalen, kan men met behulp van onderstaande formule de bijbehorende hardheidswaarde worden bepaald. Deze waarde wordt uitgedrukt in "hardheid volgens Vickers" (HV). III. Knoop Knoop is het zelfde als de vickers proef, zelfde principe met andere maten. IV. Rockwell ( veel toegepast in de VS) Een test volgens de Rockwellmethode gebeurt als volgt: eerst wordt er op het testmonster een "indenter" geplaatst, dit is een stalen bolletje of een kegelvormige naald met een diamanten tip. Op de indenter wordt dan een voorlast van 10 kg aangebracht, die bedoeld is om de invloed van lokale kleine oneffenheden aan het oppervlak van het materiaal op te heffen en om de indenter op zijn plaats te houden. De penetratie van de voorlast bepaalt het nulpunt van de meting. Daarna wordt de eigenlijke testlast (meestal 60, 100 of 150 kg) op de indenter aangebracht. Nadat de testlast weer is weggenomen, maar nog met de voorlast aanwezig, leest men de Rockwellhardheid af op de juiste hardheidsschaal; die is afhankelijk de keuze van de indenter en van de testlast. De hardheid volgens Rockwell wordt uitgedrukt door een getal (zonder eenheid), afgelezen op een bepaalde schaal. Er zijn verschillende schalen (A...V), voor verschillende soorten materialen en verschillende testomstandigheden. De C-schaal bijvoorbeeld is een veel gebruikte schaal voor harde staalsoorten. Andere veel gebruikte schalen zijn R en M. Hoe hoger het getal op een 5 bepaalde schaal, hoe harder het materiaal. De Rockwellhardheid wordt geschreven als bv. 65 HRC (65 op de Hardness Rockwell C-schaal). V. Nano-indentatie Nano-indentatie is een indentatietest waarbij kleine krachten en kleine verplaatsingen worden gebruikt. Indentatietesten zijn een van de meest gebruikte testen om de mechanische eigenschappen van een stof te bepalen. Polymeren Polymeer: Een polymeer (Grieks: poly is veel en meros is deel) is een organische verbinding waarvan de moleculen bestaan uit een opeenvolging van identieke, of soortgelijke, delen (monomere eenheden) die chemisch aan elkaar zijn gekoppeld. Polymeren worden bestudeerd in de polymeerchemie en de polymeerfysica. Polymeren kunnen op verschillende wijzen in groepen worden verdeeld. op basis van de soort polymerisatie-reactie: condensatiereacties versus additiereacties. op basis van materiaaleigenschappen: thermoplast, thermoharder, elastomeer. op basis van herkomst: natuurlijke polymeren tegenover synthetische polymeren. Thermoplasten 6 De thermoplasten zijn smeltbare polymeren. Ze kunnen in een vorm gegoten worden. Deze polymeren bestaan meestal uit onvertakte of lichtvertakte ketens bestaande uit een of meer soorten monomeren. PVC en polystyreen zijn voorbeelden van thermoplasten. Thermoplasten worden vaak in de juiste vorm gebracht door ze te smelten en in een mal te spuiten. De molecuulketens kunnen langs elkaar schuiven als de vanderwaalskracht tussen de moleculen overwonnen wordt. Thermoplasten kunnen door hun eigenschappen (smeltbaar) goed gerecycleerd worden. Een groot voordeel van thermoplasten is de reversibiliteit van het opwarmen. Thermoharders In de thermoharders zijn de ketens onderling verbonden. Er wordt dan een crosslinker toegevoegd. De polymeren krijgen hierdoor de vorm van een netwerkpolymeer en zullen vaak ontleden voordat ze smelten. Dit maakt het productieproces voor thermoharders ingewikkelder dan voor thermoplasten. Thermoharders zullen bijvoorbeeld als twee componenten in een mal gebracht moeten worden, waar ze reageren tot het uiteindelijke polymeer. Door de onderlinge verbinding van de ketens vormt het polymeer bijna één groot molecuul. Thermoharders kunnen slechts moeilijk gerecycleerd worden, omdat ze niet opnieuw gesmolten kunnen worden. Elastomeer Een thermoplast bevat vrijwel geen crosslinks en een thermoharder juist erg veel. Een elastomeer bevat weinig crosslinks. Er is wat beweging tussen de moleculen mogelijk, maar als de uitwendige kracht wegvalt, nemen de moleculen hun oorspronkelijke vorm aan. De moleculen zijn elastisch. Een mooi voorbeeld hiervan is gevulkaniseerd rubber. Tussen de polymeren worden zwavelbruggen aangebracht, waardoor het rubber minder tot niet meer vloeibaar wordt. Dit proces heet vulkanisatie. Als het gevulkaniseerde rubber dan een uitwendige kracht ondervindt, zullen de zwavelverbindingen meegeven zolang de kracht aanhoudt. Verdwijnt de kracht, dan zullen de zwavelbruggen weer hun oorspronkelijke positie innemen. Het materiaal is dus elastisch. 7 plastische vervorming Plastische of ductiele vervorming (ook wel plastische deformatie) is in de materiaalkunde en continuümmechanica het type vervorming waarbij een materiaal uitsmeert. Een plastisch vervormd materiaal blijft een continuüm; het behoudt tijdens de vervorming zijn interne cohesie en breekt niet, zoals bij brosse vervorming. Vervorming vindt plaats als een kracht op het materiaal wordt uitgeoefend (bijvoorbeeld druk- of trekkracht). Bij plastische vervorming raakt de vervorming niet vanzelf ongedaan als deze kracht wordt weggenomen, in tegenstelling tot elastische vervorming. Plastische vervorming gaat vaak samen met elastische vervorming; in dat geval is bij het wegnemen van de kracht slechts een deel van de vervorming blijvend. Faseovergang Verschillende faseovergangen zijn: smelten: van vast naar vloeibaar stollen (bevriezen): van vloeibaar naar vast verdampen: van vloeibaar naar gasvormig condenseren: van gasvormig naar vloeibaar sublimeren/vervluchtigen: van vast naar gasvormig rijpen/vervasten: van gasvormig naar vast 8 microstructuur De microstructuur van een materiaal is de structuur die te zien is wanneer een materiaal onder de microscoop wordt bekeken. De ordegrootte van een microstructuur is enkele micrometers, en de microscopen die gebruikt kunnen worden, zijn zowel optische microscopen als elektronenmicroscopen. Het bekijken van de microstructuur is een niet-destructieve manier van materiaalonderzoek binnen het vakgebied der materiaalkunde. Onder meer kunnen er bij het bestuderen van de microstructuur de volgende zaken bestudeerd worden: korrelgrootte en korrelgrootteverdeling textuur de aanwezigheid van tweelingen korrel Een korrel is in de materiaalkunde en petrografie het kleinste homogene volume in een kristallijne stof. Als een vaste stof ontstaat uit een smelt door stolling, dan gebeurt dat niet op alle plaatsen tegelijk, maar begint dat op punten waar kiemen in de vorm van onzuiverheden aanwezig zijn. Dit worden nucleatiekernen genoemd. Vanuit deze punten groeit een homogeen kristal, een korrel. De groei van de korrel stopt, als twee korrels elkaar bereiken aan de korrelgrens. De korrels zijn in de regel fijn, maar onder een microscoop zichtbaar eventueel na voorbereiding. Korrelgrens De korrelgrens is de grens tussen twee korrels in een polykristallijn materiaal. De korrelgrens kan gewoon de rechtstreekse overgang tussen twee korrels van een homogeen materiaal zijn, bijvoorbeeld austeniet, maar ook uit een ander materiaal bestaan, bijvoorbeeld korrels van austeniet ingebed in ledeburiet. Korrelgrenzen kunnen zichtbaar gemaakt worden onder een microscoop, eventueel na gepaste voorbereiding. Omdat korrelgrenzen in principe storingen zijn in de kristalstructuur hebben ze de neiging om de elektrische en thermische geleidbaarheid van een materiaal te verminderen. Door de hoge grensvlakenergie en relatief zwak bindvermogen zijn korrelgrenzen in de meeste gevallen de eerste aangewezen plaats voor het optreden van corrosie alsook de afzetting van nieuwe fasen vanuit het vaste materiaal. Ze zijn ook van belang bij veel kruipmechanismen. Bronze Bronze bestaat uit koper en tin 9 Keramische materialen Keramische materialen hebben zeer goede mechanische eigenschappen: - zeer hard bezitten een hoge vloeigrens erg slijtvast hittebestendig niet elektrisch geleidend en thermisch. Niet magnetisch Op de laatste 2 eigenschappen zijn er uitzonderingen op, sommige materialen zijn zelfs super geleidend. Een groot nadeel van keramische materialen is dat ze vaak bros zijn. Daardoor zal het materiaal snel bezwijken wanneer er scheuren ontstaan. Vaak worden dan ook het keramiek gebruikt als deklaag op anderen materialen. Bijvoorbeeld staal met keramiek laag. Zo kun je de beste eigenschappen van elkaar combineren. Er zijn twee verschillende types technisch keramiek: ionaire keramiek: een verbinding van een metaal en een niet-metaal, bijvoorbeeld keukenzout (NaCl), magnesiumoxide (MgO), zirconiumdioxide (ZrO2). De ionen stapelen zich in een zo dicht mogelijke stapeling. covalente keramiek: een verbinding van twee niet-metalen, zoals siliciumdioxide (SiO2), diamant (C). De moleculen stapelen zich als kettingen, bladvormige structuren of tetraëdrisch. 10 Opmerkingen vanuit de toets Hier staan de vragen uit de toets met de goede antwoorden : Microstructuur = korrelgrenzen en dergelijke Morfologie is textuur en dergelijke Amorf komt omdat bij onderkoeling geen kiemen ontstaan Kleinste gedeelte van een kristal is een eenheidscel Sublimeren van gas naar vast Hystereselus is verlies Brinell is kogel van 10mm Knoop is diffusie meting Micro vickers is meten hardheid Rockwel C is vraag van gesmeden materiaal Ion binding met keramisch materiaal (covalant met metaal) Brosse breuk is niet voorspelbaar Wat niet uit maakt met temperatuur-brosheids overgang is de vermoeingsstrekte Kerfslaggevoeligheid is de energie die een materiaal opneemt geometrish Koudwalsen tov warmwalsen = gladder opp, hogere maat tolleranties en dunner Anodiseren is niet voor staal en is geen diffusie behandeling Metallische deklagen zijn polykristallijn Monokristallen hebben geen korrelgrenzen Hardmetaal is wolfraamcarbide met koolstof Brons is koper met Tin CuSn Dit komt uit de toets en komt dus sowieso naar er in voor !! 11
