7905.pdf

# Kristallijne polymeren en hun gedrag bij verschillende temperaturen ### Kernconcepten * Polymeren zijn opgebouwd uit herhalende eenheden (monomeren) . * De mechanische eigenschappen van polymeren zijn sterk afhankelijk van hun moleculaire structuur . * Kristallijne polymeren vertonen geordende structuren naast amorfe gebieden . ### Sleutelbegrippen en definities * **Kristalliniteit:** De mate van geordende structuur in een polymeer . * **Glasovergangstemperatuur ($T_g$):** De temperatuur waarbij een amorf polymeer overgaat van een harde, glasachtige toestand naar een rubberachtige toestand . * **Smelt temperatuur ($T_m$):** De temperatuur waarbij een kristallijn polymeer smelt en overgaat naar een vloeibare toestand . * **Overslagtemperatuur:** De temperatuur waarbij een amorf polymeer begint te vervormen onder belasting . ### Materiaaleigenschappen van polymeren * Polymeren kunnen bros, taai of flexibel zijn, afhankelijk van hun moleculaire structuur en temperatuur . * De trekproef is cruciaal voor het bepalen van mechanische eigenschappen zoals treksterkte, elasticiteitsgrens en rek bij breuk . * Kerfslagproeven meten de weerstand tegen schokbelasting en taaiheid . * Kruip treedt op bij langdurige belasting, vooral bij hogere temperaturen voor metalen en zelfs bij kamertemperatuur voor kunststoffen [25](#page=25). * Vermoeiingsproeven onderzoeken gedrag onder wisselende spanningen [26](#page=26). ### Invloed van temperatuur op polymeergedrag * Bij temperaturen onder de $T_g$ zijn amorfe polymeren glasachtig en bros . * Boven de $T_g$ worden amorfe polymeren rubberachtig en flexibel . * Kristallijne polymeren vertonen een scherpe overgang bij $T_m$ . * Temperatuur heeft een significante invloed op de kerfslagwaarde, met een overgang van taai naar bros gedrag [25](#page=25). ### Voorbeelden en toepassingen * Aluminium, koper, staal en superalloys worden vergeleken op basis van hun mechanische eigenschappen in de trekproef [17](#page=17). * Verschillende hardheidsmetingen (Brinell, Vickers, Rockwell) worden toegepast op metalen [18](#page=18) [20](#page=20) [21](#page=21). * Kerfslagproeven zijn belangrijk voor materialen die blootgesteld worden aan impact, zoals in de transportsector [23](#page=23). --- ## Kristallijne metalen en hun structuur * Metaleigenschappen worden bepaald door atoomsoort, binding, kristalvorm en structuur [33](#page=33). * Metalen bestaan uit positieve metaalionen in een 'elektronenzee' van gedelokaliseerde valentie-elektronen [35](#page=35). * Metalen zijn kristallijn, wat betekent dat hun atomen in een regelmatige ruimtelijke structuur zijn gerangschikt [38](#page=38). * Een toestandsdiagram (fasendiagram) toont de fasen in een legering in functie van samenstelling en temperatuur [48](#page=48). ### Metaalbinding en kristalstructuren * Metaalbinding resulteert in positieve metaalionen die door een elektronenzee bij elkaar worden gehouden [35](#page=35). * Deze vrije elektronen maken metalen elektrisch en thermisch geleidend en koudvervormbaar [35](#page=35). * De belangrijkste kristalroostertypes voor technische toepassingen zijn: * Kubisch vlakken gecentreerd (KVR): Al, Cu, Ni, Au, Pb. Vaak zacht en goed vervormbaar [39](#page=39). * Hexagonaal rooster (HEX): Co, Mg, Zn, Ti. Vaak brozer [39](#page=39). * Kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRR): Fe, Cr, Ta, V, W. Meestal vast, stevig en beperkt vervormbaar [40](#page=40). * KVR en KRR hebben theoretisch meer glijsystemen dan HEX, wat leidt tot betere vervormbaarheid [45](#page=45). ### Kristalfouten en structuur * Kristalfouten zoals puntfouten (vacatures, substitutie- en interstitiële atomen), lijnfouten (roosterverschuivingen) en oppervlaktefouten (korrelgrenzen) komen voor [40](#page=40) [41](#page=41). * Deze fouten veroorzaken roosterspanningen, verminderen de theoretische sterkte, maar maken diffusie en plastische vervorming mogelijk [41](#page=41). * Structuur verwijst naar de zichtbare opbouw van een materiaal, zichtbaar gemaakt door chemische behandeling [41](#page=41). * De kristalgrootte, bepaald door de afkoelsnelheid, beïnvloedt de sterkte van een metaal: snelle afkoeling geeft fijne kristallen, trage afkoeling grote kristallen [42](#page=42). ### Vervorming van metalen * Metalen ondergaan elastische vervorming (niet-blijvend) en plastische vervorming (blijvend) [44](#page=44). * Plastische vervorming gebeurt door het afglijden van atoomlagen over glijvlakken, vooral in dichtst gepakte vlakken [45](#page=45). * Werkelijke kristallen hebben fouten (vacatures, dislocaties) die het vervormingsproces vergemakkelijken [45](#page=45). * Koudversteviging treedt op bij polykristallijne metalen door toenemende weerstand aan korrelgrenzen, wat leidt tot hogere treksterkte en lagere rek [46](#page=46). * Herstel (lage temperatuur gloeien) vermindert puntdefecten en spanningen, terwijl rekristallisatie (hogere temperatuur gloeien) de structuur vernieuwt en koudversteviging tenietdoet [46](#page=46). * Warmvervormen gebeurt boven de rekristallisatietemperatuur, wat dynamische rekristallisatie veroorzaakt en versteviging voorkomt [47](#page=47). * Korrelgroei kan optreden bij langdurige hoge temperaturen na rekristallisatie, wat de energietoestand minimaliseert [47](#page=47). ### Toestandsdiagrammen en legeringen * Legeringen zijn mengsels van metalen en niet-metalen om eigenschappen te verbeteren; fasen zijn homogene structuurbestanddelen [48](#page=48). * Een toestandsdiagram toont fasen versus samenstelling en temperatuur, met een liquiduslijn (boven = vloeibaar) en een soliduslijn (onder = vast) [48](#page=48) [49](#page=49). * Basis types zijn type 1 (niet oplosbaar in vaste toestand) en type 2 (wel oplosbaar in vaste toestand), en een gemengd type [49](#page=49) [50](#page=50). --- ## Het ijzerkoolstofdiagram en de fasenomzettingen in staal ### Stollingsvormen en fasen in het Fe-C systeem - IJzer ondergaat vaste-stof roosteromzettingen bij specifieke temperaturen: δ-ijzer (KVR, ruimtelijk gecentreerd) stolt bij 1536°C, transformeert naar γ-ijzer (KVK, vlakkengecentreerd) bij 1401°C, en verder naar α-ijzer (KRR, ruimtelijk gecentreerd) bij 911°C * De 768°C haltepunt in zuiver ijzer markeert het verlies/herstel van ferromagnetische eigenschappen, niet een roosterwijziging [55](#page=55). * γ-ijzer kan tot 2% koolstof oplossen, terwijl α-ijzer slechts maximaal 0.08% kan oplossen [57](#page=57). * Het **stabiele systeem** resulteert in ferriet (α-ijzer) en grafiet (koolstof) [57](#page=57). * Het **metastabiele systeem** resulteert in ferriet (α-ijzer) en cementiet (Fe₃C) [57](#page=57). * Het ijzer-koolstofdiagram combineert twee basistypes (stabiel en metastabiel) en toont veel faselijnen door ijzer's roosteromzettingen [55](#page=55) [58](#page=58). * Eutectische legeringen in het Fe-C systeem hebben een laag smeltpunt en fijne structuur, wat zorgt voor goede gietbaarheid, hoge rekgrens en sterkte [55](#page=55). * De eutectische legering in het Fe-C diagram bevindt zich bij 4,3% koolstof met een smeltpunt van 1147°C [59](#page=59). * Overzicht van legeringsgroepen op basis van koolstofgehalte: * **Staal:** tot 2% C [59](#page=59). * **Ondereutectisch gietijzer:** 2% - 4,3% C [59](#page=59). * **Eutectisch gietijzer:** 4,3% C [59](#page=59). * **Boveneutectisch gietijzer:** 4,3% - 6,67% C [59](#page=59). * Ledeburiet is het eutecticum in het Fe-C diagram, bestaande uit γ-mengkristallen (austeniet) met 2%C en cementiet [60](#page=60). ### Omzettingen in vaste toestand en staalstructuren * **Austeniet (γ-ijzer):** Hoge temperatuur fase, kan veel koolstof oplossen, is vervormbaar en niet-magnetisch [61](#page=61). * **Ferriet (α-ijzer):** Laag koolstofoplossend vermogen, zwak, zacht, taai en ferromagnetisch [61](#page=61). * **Cementiet (Fe₃C):** Zeer hard, bros, sterk en niet-vervormbaar, bevat 6.67% C [61](#page=61). * **Perliet:** Ontstaat uit austeniet met 0.8% C bij 723°C, een lamellair mengsel van ferriet en cementiet [60](#page=60) [61](#page=61). * **Perlietvorming in staal:** * **Ondereutectoïdisch staal:** Scheidt ferriet uit, restausteniet streeft naar 0.8% C [60](#page=60). * **Boveneutectoïdisch staal:** Scheidt cementiet uit, restausteniet streeft naar 0.8% C [60](#page=60). * **Invloed koolstofgehalte op eigenschappen:** * Hardheid en treksterkte nemen toe tot 0.8% C; daarna neemt treksterkte af door korrelgrenscementiet [62](#page=62). * Rek en taaiheid zijn het hoogst bij puur ferriet en nemen af met toenemend cementiet [62](#page=62). * Koudvervormbaarheid is het best bij ferriet, beperkt door cementiet boven ~0.3% C [62](#page=62). ### Indeling van ongelegeerd staal op basis van koolstofgehalte --- ### Kernidee * De eigenschappen van kunststoffen worden sterk bepaald door de bouw en beweeglijkheid van de polymeerketen. * Mechanische eigenschappen zijn sterk temperatuurafhankelijk en nemen toe met de belastingstijd (kruip). * Visco-elasticiteit beschrijft het gedrag van kunststoffen die zowel vloeistof- als rubberachtige eigenschappen vertonen. ### Sleutelconcepten * **Thermoplasten**: Niet-vernet polymeerketens die bij temperatuursverhoging vloeien en na afkoeling weer vaster worden. Ze zijn taai en lasbaar. * **Thermoharders**: Sterk en innig vernet netwerk van polymeerketens; hard, niet lasbaar en onoplosbaar. * **Elastomeren**: Wijdmazig netwerk van polymeerketens met rubberachtige elasticiteit. * **Ketenstijfheid**: Bepaald door hoofdketen (ringen, zijgroepen); stijvere ketens zijn moeilijker smeltbaar. * **Keteninteractie**: Polaire groepen trekken elkaar extra aan, apolaire ketens minder. * **Ketenlengte**: Lange ketens zijn moeilijker uit elkaar te halen. * **Ketenregelmaat**: Regelmatige plaatsing van zijgroepen leidt tot betere stapeling en hogere stijfheid. * **Visco-elasticiteit**: Gedrag van kunststoffen die zowel vloeistof- als elastische eigenschappen vertonen. * **Kruip**: Geleidelijke toename van vervorming onder langdurige mechanische belasting. * **Sterkte van polymeren**: Over het algemeen zwakker dan metalen, behalve gewapende thermoharders; sterkte is temperatuur- en tijdsafhankelijk. ### Implicaties * Verwerkingsmachines voor kunststoffen vereisen hoge drukken vanwege hun visco-elastische gedrag. * De treksterkte van een kunststof is niet direct bruikbaar voor langdurige belastingen; kruipkrommen zijn hiervoor nodig. * De toepassing van kunststoffen vereist rekening houden met temperatuursafhankelijkheid en kruipgedrag. ### Tip - > **Tip:** Bij het bestuderen van de keteneigenschappen, onthoud dat stijve ketens niet noodzakelijk een stijver polymeer opleveren; dit hangt ook af van de verpakking van de ketens ### Voorbeelden - > **Voorbeeld:** PVC is een voorbeeld van een kunststof met polaire groepen die elkaar extra aantrekken, wat leidt tot sterkere keteninteracties en hogere temperatuurgevoeligheid --- ### Toestanden van kristallijne polymeren * Polymeren uit gelijke monomeren, lineair en met regelmatige zijgroepen kunnen gedeeltelijk kristalliseren . * Kristallisatie is nooit compleet, variërend van 40-80% . * Deze polymeren bestaan uit een amorf en een kristallijn deel . * Het kristallijne deel heeft een eigen smeltpunt ($T_m$) . * Kristallijne kunststoffen hebben drie overgangstemperaturen: $T_g$, $T_m$, en $T_v$ . ### Eigenschappen van kristallijne kunststoffen * **Bij $T < T_g$:** * Amorfe fase in glastoestand, kristallijne fase aanwezig . * Materiaal is stijver en ondoorzichtig . * **Bij $T_g < T < T_m$:** * Amorfe fase in rubbertoestand, kristallen blijven aanwezig . * $E$-modulus daalt minder dan bij amorfe kunststoffen . * Goede taaiheid en hoge slagsterkte door ingebouwde rubberfase . * **Bij $T > T_m$:** * Volledig amorfe toestand . * Kan vloeistof of rubber zijn, afhankelijk van $T_v$ en kettingslengte . ### Vergelijking met amorfe polymeren * Amorfe polymeren onder $T_g$ zijn in de glastoestand, met verstarde ketens . * De overgang naar de rubberfase ($T_g$) vindt plaats wanneer ketens voldoende energie hebben om te bewegen . * De overgang van rubber naar vloeistof ($T_v$) is minder scherp en afhankelijk van de kettingslengte . * PE en PP hebben lage $T_g$ maar zijn relatief stijf door gedeeltelijke kristallisatie . ### Stijfheid en slagvastheid * De $E$-modulus van kunststoffen is temperatuurafhankelijk, ongeveer 100 keer kleiner dan bij metalen . * Oriëntatie van ketens verhoogt stijfheid in die richting; vezels hebben hogere $E$-modulus . * Toevoegen van versterkende deeltjes kan de $E$-modulus verdubbelen . * Lage slagvastheid bij snelle belasting; kan verbeterd worden door toevoeging van rubber (bv. HIPS) . --- ### Kernconcepten rond corrosie (Pagina 124-130) * Corrosie is afhankelijk van materiaaleigenschappen (edelheid, dimensionale eigenschappen, passivatie) . * Niet-homogene structuur, koudvervorming en inwendige spanningen beïnvloeden de edelheid . * Passivatie treedt op wanneer een corrosieproduct een beschermende laag vormt, zoals aluminiumoxide op aluminium . * Omgevingsfactoren zoals temperatuur, beluchting, stroomsnelheid en concentratie van de elektrolyt beïnvloeden corrosie . * Uniforme corrosie bedekt het gehele oppervlak, putcorrosie tast diep aan, en erosiecorrosie ontstaat door mechanische slijtage van beschermlagen . * Galvanische corrosie ontstaat door contact tussen metalen van verschillende edelheid; het minst edele metaal corrodeert . * Exfoliatiecorrosie uit zich in lagen, spanningscorrosie door mechanische spanning en elektrolyt, en interkristallijne corrosie langs korrelgrenzen . * Spleetcorrosie treedt op in nauwe ruimtes door zuurstoftekort en chemische corrosie is directe inwerking zonder elektrochemische reactie . ### Corrosiebestrijding en laboratoriumoefeningen (Pagina 129-146) * Corrosie wordt bestreden door het weren van vocht, kathodische of anodische bescherming, het gebruik van corrosieongevoelige materialen, en doordacht ontwerp . * Laboratoriumoefeningen omvatten veiligheidsvoorschriften voor het werken met hoge temperaturen, agressieve reagentia, en schuurapparatuur . * Mechanische eigenschappen van metalen worden getest middels trekproeven en hardheidsmetingen (Vickers) . * Bij kunststoffen worden moleculaire opbouw, trek- en kerfslagproeven uitgevoerd om verbanden met mechanische eigenschappen te leggen . * Macro- en microscopisch metaalonderzoek omvat identificatie van metalen op basis van kleur, dichtheid en magnetisme, en analyse van de microstructuur na preparatie (schuren, polijsten, etsen) . * Warmtebehandelingen zoals harden en veredelen van staal (C45) veranderen de structuur en eigenschappen (martensiet, beïnvloeding van C-gehalte) . * Kunststoffen worden geïdentificeerd met behulp van vlamtesten (geur, kleur vlam, rook) en dichtheidsmetingen . * Een elektrolyt is een stof die, opgelost in water, de stroom geleidt door de aanwezigheid van beweeglijke geladen deeltjes (ionen) . * Elektrolytische dissociatie is het splitsen van ionische stoffen in ionen bij oplossen in water, gehydrateerde ionen worden gevormd . * Sterke elektrolyten splitsen volledig, zwakke elektrolyten vormen een evenwicht, en niet-ionische of onoplosbare stoffen zijn geen elektrolyten . * Geleidbaarheid van een oplossing, uitgedrukt als specifieke geleidbaarheid ($\kappa$), hangt af van de hoeveelheid geladen deeltjes en temperatuur . --- ### Experimentele methoden voor het bepalen van materiaaleigenschappen * Geleidbaarheidsmetingen gebruiken een geleidbaarheidsmeter en -cel met platina elektroden . * Wisselstroom is essentieel voor geleidbaarheidsmetingen om elektrolyse te voorkomen . * Verdunnen van oplossingen is noodzakelijk, bijvoorbeeld 1 M naar 0,1 M . * Spoelen van de geleidbaarheidscel met gedemineraliseerd water en de te meten oplossing is cruciaal . * Batterijen (elektrochemische cellen) hebben twee polen: een positieve (+) en een negatieve (-) . * Elektronen verzamelen zich aan de negatieve pool . * De zuil van Volta, een vroege batterij, stapelde lagen zink, zoutwaterdoordrenkt papier en zilver . * Experimenten met zink- en koperstaven in waterstofchloride tonen de principes van elektrochemische reacties aan . * Zink is een onedel metaal dat oplost als Zn²⁺ en elektronen afgeeft . * Waterstofionen nemen elektronen op en vormen waterstofgas (H₂) . * Koper is een edelmetaal en lost niet op in waterstofchloride . * Commerciële batterijen zoals alkaline cellen gebruiken koolstofstaven en basen . * Loodaccu's bestaan uit lood en looddioxide in zwavelzuur en leveren 2V per cel . * Loodaccu's zijn omkeerbaar, waardoor ze herlaadbaar zijn . * Andere herlaadbare batterijen omvatten Ni-Cd, Ni-metaalhydride, Lithium-ion, en zink-lucht . * Brandstofcellen produceren elektriciteit uit extern aangevoerde chemicaliën . * Potentiaalmetingen meten het potentiaalverschil ten opzichte van een referentiepotentiaal . * De standaard waterstofelektrode (NHE) heeft een potentiaal van 0,0000V . * De relatie tussen metalen, hun edelheid, oplosbaarheid in zuur, en elektronenafgifte is cruciaal . * Corrosie is de aantasting van metaal door chemische of elektrochemische reacties . * Elektrochemische corrosie vereist een anodische plaats, een kathodische plaats, een metaalgeleider en een elektrolyt . * Verschillende metalen koppelen, mechanische bewerking, of een verschil in beluchting kunnen corrosie veroorzaken . * Fe²⁺-ionen worden aangetoond met kaliumhexacyanoferaat (diepblauw) . * OH⁻-ionen worden aangetoond met fenolftaleïne (rode kleur) . * Een corrosiecel is een galvanisch element dat ontstaat onder deze omstandigheden . --- # Materiaalbeproeving en eigenschappen ### Kernidee * Materiaalkeuze is gebaseerd op eigenschappen zoals sterkte, stijfheid en taaiheid [12](#page=12). * Mechanische eigenschappen zijn cruciaal voor constructiematerialen [12](#page=12). * Belangrijke mechanische proeven zijn trekproef, kerfslagproef, hardheidsmeting en vermoeiingsproef [13](#page=13). ### Eigenschappen #### Chemische eigenschappen * Gaan over de chemische samenstelling en atomaire structuur [12](#page=12). * Voorbeeld: corrosieweerstand [12](#page=12). #### Fysische eigenschappen * Reageren op verschillende vormen van energie [12](#page=12). * Dichtheid is een belangrijke factor voor mobiele toepassingen [12](#page=12). #### Mechanische eigenschappen * Beschrijven hoe een materiaal reageert op uitgeoefende krachten [12](#page=12). #### Dimensionele eigenschappen * Vorm en grootte van een voorwerp, niet van het materiaal zelf [12](#page=12). ### Trekproef (tensile testing) #### Doel * Bepalen van de weerstand van een materiaal tegen stuktrekken (treksterkte) [13](#page=13). #### Principe * Genormaliseerde proefstaaf wordt uitgetrokken tot breuk, metingen van kracht (F) en verlenging (∆L) [14](#page=14). * Belasting wordt genormeerd naar oorspronkelijke doorsnede (S0) voor spanning ($\sigma$) [14](#page=14). * Verlenging wordt genormeerd voor rek ($\epsilon$) [14](#page=14). * Spanning $\sigma = \frac{F}{S_0}$ [14](#page=14). * Rek $\epsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \times 100\%$ [14](#page=14). #### Verloop * Elastische rek: materiaal veert terug na belasting [14](#page=14). * Plastische rek: blijvende vervorming na belasting [14](#page=14). * Elasticiteitsgrens: spanning waarbij materiaal net niet plastisch vervormt [14](#page=14). * Insnoering (necking) treedt op bij hogere spanningen [15](#page=15). * Breuk (rupture) eindigt de proef [15](#page=15). #### Karakteristieke eigenschappen * Treksterkte ($\sigma_m$): maximale spanning bereikt tijdens de proef [15](#page=15). * Elasticiteitsgrens ($\sigma_e$): spanning waarbij plastische vervorming begint [15](#page=15). * 0.2% rekgrens ($\sigma_{0.2}$): spanning bij 0.2% blijvende rek, gebruikt bij onduidelijke elasticiteitsgrens [15](#page=15). * Vloeigrens: spanning waarbij materiaal plotseling een duidelijke, blijvende rek geeft bij bijna constante belasting [16](#page=16). * Elasticiteitsmodulus (E) (Young's modulus): helling van de kromme in het elastische gebied, maat voor stijfheid [16](#page=16). ### Hardheidsmetingen #### Doel #### Principe #### Brinell hardheidsmeting (HB) --- # Slagvastheid en vermoeiing ### Kernidee * Vermoeiing en slagvastheid beschrijven materiaaleigenschappen die niet volledig uit een statische trekproef te halen zijn. * Vermoeiing betreft materiaalgedrag onder herhaald wisselende belastingen, terwijl slagvastheid de weerstand tegen plotselinge belastingen meet. ### Kerfeffect * Kerfslagproeven meten de weerstand van een materiaal tegen schokbelasting (impact) en geven een maat voor taaiheid [23](#page=23). * De proef gebruikt een slingerhamer om een ingekerfde proefstaaf te breken; de gemeten arbeid is cruciaal [24](#page=24). * De slagarbeid wordt berekend als verschil in potentiële energie van de hamer: $\Delta W_p = m \cdot g \cdot (h - h')$ [24](#page=24). * Temperatuur beïnvloedt de slagarbeid sterk, met een overgang van taai naar bros gedrag [25](#page=25). ### Vermoeiingsbreuken * Vermoeiingsbreuken ontstaan door voortdurend wisselende spanningen (trek, druk, buiging, torsie) [25](#page=25). * Ze kunnen optreden bij zowel grote spanningen met lage frequentie als lage spanningen met hoge frequentie [26](#page=26). * Vele breuken in de transportsector zijn vermoeiingsgerelateerd [26](#page=26). * Een 'kerf' (fout, scherpe vorm) veroorzaakt spanningsconcentratie, leidend tot plastische vervorming en scheurvorming [26](#page=26). * Breukvlakken tonen vaak een glad gedeelte (langzame groei) en een korrelig deel (plotselinge breuk) [26](#page=26). * Vermoeiingsbreuken treden op bij spanningen significant lager dan de treksterkte, zonder voorafgaande zichtbare vervorming [26](#page=26). ### De vermoeiingsgrens * De vermoeiingsgrens ($\sigma_v$) is het spanningsniveau waarbij een materiaal een gespecificeerd aantal cycli (vaak 10 miljoen) kan weerstaan zonder te breken [26](#page=26). * Dit wordt bepaald met Wöhler- of Goodmann-curves (S-N-diagrammen) [26](#page=26). - > **Tip:** Houd bij het beoordelen van materialen voor koude omgevingen rekening met de overgangstemperatuur voor brosse breuk [25](#page=25) - > - > **Tip:** Vermoeiingsbreuken zijn een veelvoorkomend probleem en ontstaan vaak door kleine imperfecties die fungeren als spanningsconcentrators [26](#page=26) --- # de atoomstructuur en metaalbinding ### Kernidee * De mechanische eigenschappen van materialen worden bepaald door hun inwendige opbouw: atoomsoort, binding, kristalvorm en structuur [33](#page=33). * Metalen vertonen specifieke eigenschappen zoals koudvervormbaarheid en goede elektrische/thermische geleidbaarheid door hun unieke atoomstructuur en metaalbinding [33](#page=33). ### Atoomopbouw * Materie bestaat uit atomen, bestaande uit een kern (protonen en neutronen) en daaromheen bewegende elektronen in energieniveaus of elektronenschillen [33](#page=33). * De som van protonen en neutronen in de kern is het massagetal ($A$) [34](#page=34). * Isotopen hebben hetzelfde atoomnummer (aantal protonen) maar een verschillend massagetal [34](#page=34). * Chemisch gedrag wordt bepaald door valentie-elektronen op de buitenste schil; metalen hebben er 1, 2 of 3 [34](#page=34). * Elementen streven naar een stabiele edelgasconfiguratie met 8 valentie-elektronen [34](#page=34). ### Metaalbinding * Metaalbinding ontstaat doordat valentie-elektronen vrij bewegen tussen positieve metaalionen, waardoor deze bij elkaar gehouden worden [35](#page=35). * Dit wordt voorgesteld als een "elektronenzee" waarin metaalionen gerangschikt zijn [35](#page=35). * De vrije, gedelokaliseerde elektronen verklaren de goede elektrische en thermische geleidbaarheid van metalen [35](#page=35). * Bij vervorming kunnen metaalionen langs elkaar bewegen zonder afstoting, dankzij de elektronenzee, wat leidt tot koudvervormbaarheid [35](#page=35). ### Kristalroosters * Metalen hebben een kristallijne structuur, wat betekent dat hun atomen op een regelmatige manier in de ruimte gestapeld zijn [38](#page=38). * Vrij uitgegroeide kristallen hebben vlakke oppervlakken met specifieke hoeken, terwijl metalen vaak bestaan uit kleine, onregelmatig gevormde kristalkorrels (kristallieten) [38](#page=38). * Belangrijke kristalroostertypes in technische toepassingen zijn: * **Kubisch vlakken gecentreerd (KVR):** 14 atomen per eenheidscel (hoekpunten en vlakcentra); metalen zoals Al, Cu, Ni, Au, Pb zijn vaak zacht en vervormbaar [39](#page=39). * **Hexagonaal rooster (HEX):** Rechte prisma met zeshoekige grondvlak, 12 atomen per eenheidscel; metalen zoals Co, Mg, Zn, Ti zijn brozer [39](#page=39). * **Kubisch ruimtelijk gecenterd (KRR):** 9 atomen per eenheidscel (hoekpunten en centrum); metalen zoals Fe, Cr, Ta, V, W zijn stevig en beperkt vervormbaar [40](#page=40). ### Kristalfouten * Kristallen zijn zelden perfect en bevatten diverse fouten: * **Puntfouten:** Vacatures (lege plaatsen), substitutie-atomen (vervangende vreemde atomen), interstitiële atomen (vreemde atomen tussen de roosterplaatsen) [40](#page=40). * **Lijnfouten:** Roosterverschuivingen (dislocaties) [41](#page=41). * **Oppervlaktefouten:** Korrelgrenzen waar de kristalstructuur van naburige kristallieten overgaat [41](#page=41). * Kristalfouten veroorzaken roosterspanningen, verminderen de theoretische sterkte, maar maken diffusie en plastische vervorming mogelijk [41](#page=41). ### Structuur en eigenschappen * Structuur verwijst naar de zichtbare opbouw van een stof, zoals de matrix, insluitingen en toevoegstoffen [41](#page=41). * De kristalgrootte, bepaald door de afkoelsnelheid (snel = fijnkorrelig, traag = grofkorrelig), beïnvloedt de sterkte van een metaal [42](#page=42). * **Anisotropie:** Richtingsafhankelijke eigenschappen (bv. hout); éénkristallen zijn anisotroop [42](#page=42). ### Vervorming van metalen ### Herstel en rekristallisatie --- ## Atoomstructuur en metaalbinding: specifieke onderwerpen ### Stollingsvormen van ijzer-koolstoflegeringen * Ijzerkoolstoflegeringen volgen ofwel het stabiele ofwel het metastabiele systeem [57](#page=57). * **Stabiel systeem:** Ijzer oxideert tot $\alpha$-ijzer kristallen (ferriet) en koolstof kristalliseert als grafiet [57](#page=57). * **Metastabiel systeem:** Koolstof reageert met ijzer tot ijzercarbide (cementiet, $\text{Fe}_3\text{C}$) [57](#page=57). * Twee ijzerkoolstofdiagrammen bestaan, vaak op elkaar getekend [58](#page=58). * Het metastabiele diagram is het ijzer-ijzercarbide diagram [58](#page=58). * Legeringen met een hoogste koolstofgehalte bestaan volledig uit ijzercarbide (6,67% C) [58](#page=58). ### Overgang van vloeibaar naar vast in het ijzer-koolstofdiagram * Opgeloste koolstof verlaagt het smeltpunt van ijzer; ijzer verlaagt het smeltpunt van cementiet [59](#page=59). * De legering met het laagste smeltpunt is de eutectische legering met 4,3% C [59](#page=59). * **Boveneutectische legeringen (4,3 - 6,67% C):** Stollen als zuiver cementiet en eutecticum (ledeburiet) [59](#page=59). * **Staal (tot 2% C):** Vormt $\gamma$-mengkristallen (austeniet) die rijker worden aan koolstof tijdens het stollen [59](#page=59). * **Ondereutectische legeringen (2 - 4,3% C):** Vormen $\gamma$-mengkristallen en smelt; beide worden rijker aan koolstof tot 2% C en 4,3% C respectievelijk [59](#page=59). * Het eutecticum (4,3% C) is ledeburiet, een mengsel van $\gamma$-mengkristallen (2% C) en cementiet [60](#page=60). ### Omzettingen in vaste toestand in staal * Austeniet ($\gamma$-ijzer) zet om in ferriet ($\alpha$-ijzer) bij afkoeling [60](#page=60). * Ferriet kan vrijwel geen koolstof oplossen (max. 0,08%) [57](#page=57). * **Ondereutectoïdische stalen:** Scheiden ferriet uit, restausteniet streeft naar 0,8% C [60](#page=60). * **Boveneutectoïdische stalen:** Scheiden cementiet uit, restausteniet streeft naar 0,8% C [60](#page=60). * Het eutectoïde punt (0,8% C) resulteert in de omzetting van $\gamma$-rooster naar $\alpha$-rooster [60](#page=60). * **Perliet:** Een fase bestaande uit afwisselende laagjes ferriet en cementiet, gevormd bij het eutectoïde punt [60](#page=60). * **Ondereutectische legeringen:** Na stollen $\gamma$-mengkristallen (2% C) en ledeburiet; bij verdere afkoeling scheiding van randcementiet en vorming van perliet [60](#page=60). * **Boveneutectische legeringen:** Veranderen niet meer in vaste toestand bij verdere afkoeling [60](#page=60). ### Ongelegeerd staal en invloed van koolstof * Staal is een legering van ijzer en koolstof (max. 1,7% C) [61](#page=61). * **Austeniet:** Oplosbaar voor koolstof, alleen bij hogere temperaturen aanwezig, vervormbaar, niet magnetisch [61](#page=61). * **Ferriet:** Kan geen koolstof opnemen, zwak, zacht (ca. 90 HV), taai, verspaanbaar, ferromagnetisch, vervormbaar [61](#page=61). * **Cementiet ($\text{Fe}_3\text{C}$):** IJzercarbide, hard (ca. 1100 HV), bros, sterk, niet vervormbaar [61](#page=61). * **Perliet:** Ontstaat uit austeniet (0,8% C) bij 723°C, bevat ferriet en cementiet lamellen, hardheid ca. 300 HV [61](#page=61). --- ## Atoomstructuur en metaalbinding: Gelegeerd staal en non-ferro metalen ### Gelegeerd staal #### Kernidee * Legeren van staal met specifieke elementen verbetert mechanische, chemische en technologische eigenschappen [82](#page=82). * Legeringselementen beïnvloeden de structuur en de benodigde warmtebehandeling [82](#page=82). #### Laaggelegeerd staal * Bevat maximaal 5% legeringselementen (exclusief koolstof). * Gebruikt om hardingseigenschappen te verbeteren [82](#page=82). #### Hooggelegeerd staal * Bevat meer dan 5% legeringselementen. * Beïnvloedt het Fe-C diagram significant, waardoor dit niet meer bruikbaar is voor warmtebehandelingstabellen [83](#page=83). ##### Austenitische staalsoorten * Verrijkt met Mn, Ni, Co, wat het austenietgebied vergroot [83](#page=83). * Behoudt austenietstructuur tijdens afkoelen, is niet hardbaar maar wel taai [83](#page=83). * Sterk koudverstevigend bij koudvervorming [83](#page=83). * Mangaanstaal (1-15% Mn) heeft hoge slijtvastheid en treksterkte; hardheid ontstaat door koudversteviging [83](#page=83). * Nikkelstaal (2-50% Ni) combineert hoge treksterkte en taaiheid; 36% Ni (invarstaal) zet nauwelijks uit [83](#page=83). ##### Ferritische staalsoorten * Verrijkt met Cr, Mo, Si, V, Ti, W, Al, wat het austenietgebied verkleint [83](#page=83). * Stollen en koelen zonder omzetting; niet hardbaar, met goede warmtevastheid en corrosiebestendigheid [84](#page=84). * Chroomstaal (1-30% Cr); 13% Cr staal is corrosievast in atmosferische omstandigheden [84](#page=84). * Ferritisch chroomstaal (max. 0,15% C, min. 13% Cr) is niet hardbaar, magnetiseerbaar en roestvast [84](#page=84). ##### Chroom-nikkelstaal * Combineert hardheid van chroom met taaiheid van nikkel [84](#page=84). * Austenitische corrosievaste staalsoorten, niet hardbaar, niet magnetisch [84](#page=84). * Voorbeelden: X 6 Cr Ni 18 10 voor diverse toepassingen [84](#page=84). * Martensitische RVS zijn hardbaar (luchthardend) en magnetiseerbaar [84](#page=84). ##### Automatenstaal * Vormt korte spaan bij verspaning, ideaal voor seriedraaiwerk [84](#page=84). * Zwavel (S) zorgt voor de brosse spaan [84](#page=84). ##### Gereedschapstaal * Vereist grote standtijd, hardheid, drukvastheid, vermoeiingsweerstand en slijtvastheid [84](#page=84). * Laag- en ongelegeerd gereedschapstaal (0,6-1,6% C) is hardbaar, gebruikt voor koude bewerkingen [85](#page=85). * Hoog gelegeerd gereedschapstaal (snelstaal/HSS) bevat W, Mo, Cr, V, Co voor carbidevorming, hardheid en slijtvastheid [85](#page=85). * HSS is bruikbaar tot ca. 600°C en vereist lage snijsnelheden [85](#page=85). ### Gietijzer #### Grijze gietijzer (GG) #### Witte gietijzer (GW) #### Nodulair gietijzer (GN) ### Non-ferro metalen #### Aluminium ##### Kernidee ##### Al-legeringen (AA-norm) ##### Harden van aluminium ##### Corrosievastheid van aluminium #### Magnesiumlegeringen #### Titaan #### Koper --- # kristalroosters en kristalfouten in metalen ### Core idea * Metalen zijn kristallijn, wat betekent dat hun atomen in een regelmatige, ruimtelijke stapeling georganiseerd zijn [38](#page=38). * Deze regelmatige structuur verschilt van amorfe materialen zoals glas, die een onregelmatige opbouw hebben [38](#page=38). * In metalen vinden we geen vrij uitgegroeide kristallen, maar kleine, onregelmatig gevormde kristalkorrels die tegen elkaar gegroeid zijn, kristallieten genaamd [38](#page=38). ### Key facts * Drie belangrijke kristalroostertypes voor technische toepassingen zijn: Kubisch Vlakken Gecentreerd (KVR), Hexagonaal (HEX) en Kubisch Ruimtelijk Gecentreerd (KRR) [38](#page=38). * Het KVR-rooster heeft een atoom op elk hoekpunt en in het midden van elk vlak; typische metalen zijn Al, Cu, Ni, Au, Pb, die vaak zacht en vervormbaar zijn [39](#page=39). * Het HEX-rooster (dichtste bolstapeling) heeft atomen op hoekpunten, centra van grond- en bovenvlakken, en drie in het midden; voorbeelden zijn Co, Mg, Zn, Ti, die brozer zijn [39](#page=39). * Het KRR-rooster, een minder dichte pakking, heeft atomen op hoekpunten en één in het midden; typisch voor Fe (kamertemp.), Cr, Ta, V, W, die vast en beperkt vervormbaar zijn [40](#page=40). * Kristallen zijn zelden foutloos; ze bevatten onregelmatigheden ten opzichte van het ideale rooster [40](#page=40). ### Key concepts * **Puntfouten:** Omvatten vacatures (onbezette plaatsen), substitutionele atomen (vreemde atomen op roosterplaatsen) en interstitiële atomen (vreemde of eigen atomen tussen roosterplaatsen) [40](#page=40). * **Lijnfouten:** Omvatten roosterverschuivingen en dislocaties [41](#page=41) [45](#page=45). * **Oppervlaktefouten:** Met name korrelgrenzen, waar de kristalbouwrichting verandert en verontreinigingen zich concentreren [41](#page=41). * Fouten in het rooster veroorzaken roosterspanningen, verlagen de sterkte ten opzichte van een ideaal kristal, maar faciliteren diffusie en plastische vervorming [41](#page=41). * Polykristallijne metalen gedragen zich schijnbaar isotroop omdat de willekeurige oriëntatie van vele kristallieten de richtingsafhankelijkheid van de eigenschappen tenietdoet [42](#page=42). * Textuur ontstaat wanneer kristallen niet willekeurig georiënteerd zijn, bijvoorbeeld door walsen, wat leidt tot anisotroop gedrag [43](#page=43). ### Implications * De kristalstructuur en de aanwezigheid van fouten beïnvloeden de mechanische eigenschappen van metalen, zoals vervormbaarheid en sterkte [41](#page=41) [44](#page=44) [45](#page=45). * Plastische vervorming in metalen vindt plaats door het glijden van atoomlagen over elkaar, voornamelijk in dichtst gepakte vlakken (glijvlakken) [44](#page=44) [45](#page=45). * Koudversteviging treedt op bij polykristallijne metalen door toenemende weerstand bij plastische vervorming, wat leidt tot hogere treksterkte en lagere rek [46](#page=46). * Herstel (lage temperatuur gloeien) vermindert puntdefecten en spanningen, terwijl rekristallisatie (hoge temperatuur gloeien) de structuur vernieuwt en koudversteviging tenietdoet [46](#page=46). * Korrelgroei kan optreden bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen, waarbij grotere korrels ten koste gaan van kleinere om de oppervlakte-energie te minimaliseren [47](#page=47). --- # Kristalvormen van zuiver ijzer en legeringen ### Kernidee * Legeringen verbeteren eigenschappen van zuivere metalen en worden veelvuldig in de techniek toegepast [48](#page=48). * Toestandsdiagrammen (fasendiagrammen) visualiseren fasen in legeringen als functie van samenstelling en temperatuur [48](#page=48). ### Kristalstructuren van zuiver ijzer * Zuiver ijzer kent meerdere kristalroostervormen in vaste toestand: * δ-ijzer: kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRG) boven 1401°C [55](#page=55). * γ-ijzer: kubisch vlakkengecentreerd (KVG) tussen 1401°C en 911°C [55](#page=55). * α-ijzer: kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRG) vanaf 911°C tot kamertemperatuur [55](#page=55). * Bij 768°C ondergaat α-ijzer geen roosterverandering, maar krijgt het ferromagnetische eigenschappen terug [55](#page=55). * De verschillende kristalroosters zijn cruciaal voor warmtebehandelingen om eigenschappen te beïnvloeden [57](#page=57). * KVG (γ-ijzer) kan meer koolstof oplossen dan KRG (α-ijzer) door grotere interstitiële ruimtes [57](#page=57). ### Stollingsvormen van ijzer-koolstoflegeringen * Koolstof is het belangrijkste legeringselement in ijzer en lost in verschillende mate op in de ijzerfasen [57](#page=57). * In de α-toestand is de oplosbaarheid van koolstof verwaarloosbaar (< 0,08%) [57](#page=57). * In de γ-toestand kan koolstof tot maximaal 2% oplossen [57](#page=57). * **Stabiel systeem:** Koolstof vormt grafietkristallen met α-ijzer (ferriet) [57](#page=57). * **Metastabiel systeem:** Koolstof vormt ijzercarbide (cementiet, Fe₃C) met α-ijzer [57](#page=57). * Het metastabiele systeem is het meest voorkomende en wordt weergegeven in het ijzer-carbide diagram [58](#page=58). * Cementiet (Fe₃C) bevat 6,67% koolstof en vormt de rechtergrens van het diagram [58](#page=58). ### Overgang van vloeibaar naar vast ijzer-koolstof * Ijzer-koolstoflegeringen hebben een lager smeltpunt dan zuiver ijzer en cementiet [59](#page=59). * Het eutecticum, met 4,3% koolstof, heeft het laagste smeltpunt [59](#page=59). * **Boveneutectische legeringen (> 4,3% C):** Stollen via type 1, met zuiver cementiet en eutecticum (ledeburiet) als vaste fasen [59](#page=59). * **Staal (tot 2% C):** Stolt via type 2, met γ-mengkristallen (austeniet) die rijker worden aan koolstof bij afkoeling [59](#page=59). * **Ondereutectische legeringen (2 – 4,3% C):** Vormen γ-mengkristallen en een smelt die toenemen in koolstof, eindigend in austeniet (2% C) en ledeburiet (4,3% C) bij 1147°C [59](#page=59). * **Eutectische samenstelling (4,3% C):** Vormt ledeburiet, een fijnkorrelig mengsel van γ-mengkristallen (2% C) en cementiet [60](#page=60). ### Omzettingen in vaste toestand in staal * Austeniet (γ-ijzer met opgeloste koolstof) kan bij afkoeling omklappen naar ferriet (α-ijzer) [60](#page=60). * Bij de eutectoïde temperatuur (723°C) ontleedt austeniet met 0,8% C in ferriet en cementiet [60](#page=60). * **Perliet:** Afwisselende lamellen van ferriet en cementiet, gevormd uit austeniet met 0,8% C [60](#page=60). ### Invloed van koolstofgehalte op ongelegeerd staal ### Indeling ongelegeerd staal --- # Het proces van harden en veredelen van staal ### Kernidee * Harden en veredelen geven staal een combinatie van hardheid en taaiheid, instelbaar binnen ruime grenzen [69](#page=69). * Beide behandelingen maken gebruik van de austeniet (γ) naar ferriet (α) omzetting [69](#page=69). * Het proces omvat opwarmen, snel afkoelen (afschrikken) en vervolgens ontlaten [71](#page=71). ### Sleutelbegrippen * **Austeniet:** Hoge temperatuur fase van staal waarin koolstof oplosbaar is in het rooster [69](#page=69) [71](#page=71). * **Perliet:** Structuur gevormd bij langzame afkoeling, bestaande uit ferriet en cementiet [69](#page=69) [70](#page=70). * **Martensiet:** Naaldvormige kristalstructuur ontstaan bij zeer snelle afkoeling, wat hoge hardheid geeft maar lage taaiheid [70](#page=70). * **Kritische afkoelsnelheid:** De minimale afkoelsnelheid nodig om volledige omzetting naar martensiet te bereiken [70](#page=70) [72](#page=72). * **Ontlaten (tempering):** Warmtebehandeling na het harden om taaiheid te verhogen en interne spanningen te verminderen [70](#page=70) [71](#page=71). * **TTT-diagram:** Transformatie-tijd-temperatuur diagram dat de tijd-temperatuur relaties voor omzettingen weergeeft [72](#page=72). ### Sleutelfeiten * Voor het harden van ongelegeerd staal is minimaal 0.3% koolstof vereist [70](#page=70). * Snelle afkoeling onderdrukt ferrietuitscheiding en bevordert martensietvorming [70](#page=70). * Martensiet is zeer hard maar extreem bros [70](#page=70). * Ontlaten vindt plaats tussen 150°C en 650°C [71](#page=71). * Hogere ontlaattemperaturen leiden tot afname van hardheid en toename van rek [71](#page=71). * De kritische afkoelsnelheid hangt af van het koolstofgehalte en legeringselementen [72](#page=72). * Afkoelmiddelen variëren van water met NaOH (snelst) tot lucht (langzaamst) [73](#page=73). * Ontlaten is een diffusieproces waarbij temperatuur en tijdsduur invloed hebben [73](#page=73). * Veredelen bij constructiestaal verhoogt de rekgrens en taaiheid, met een koolstofgehalte tussen 0.25% en 0.6% [74](#page=74). ### Implicaties * Het juiste afschrikmiddel kiezen balanceert de noodzakelijke koelsnelheid met het risico op vervorming of scheuren [73](#page=73). * Onjuiste opwarmtemperaturen of -tijden leiden tot grove korrels of onvolledige doorharding [71](#page=71). * Grote werkstukken kunnen problemen met doorharding ondervinden door temperatuurverschillen [73](#page=73). * Inwendige spanningen door temperatuurverschillen en omzettingen kunnen leiden tot vervorming [74](#page=74). * Oxidatie kan voorkomen worden met gecontroleerde atmosfeer, edelgassen of vacuüm [74](#page=74). ### Toepassingen * Gereedschapsstaal, matrijzen, messen, snij- en buiggereedschappen worden vaak gehard voor slijtagebestendigheid [71](#page=71) [74](#page=74). * Constructieonderdelen die zwaar belast worden profiteren van de sterkte van gehard staal [74](#page=74). --- # Oppervlakteharden van staal ### Kernidee * Doel is slijtagebestendig oppervlak met taaie kern [75](#page=75). * Alleen de buitenlaag van het werkstuk wordt gehard [75](#page=75). ### Werkwijzen #### Carboneren * Verhoogt koolstofgehalte in buitenlaag tot 0,8% [76](#page=76). * Gloeien in koolstofrijk midden (gesmolten zout of gas) [76](#page=76). * Vereist na-afschrikken om harding te realiseren [76](#page=76). * Kan leiden tot korrelgroei; normaalgloeien kan dit verhelpen [76](#page=76). * Geschikt voor niet-hardbaar staal [76](#page=76). #### Nitreren * Stikstof diffundeert in oppervlak, vormt zeer harde nitriden [76](#page=76). * Hogere hardheid dan carboneren, zonder afschrikken [76](#page=76). * Diffusie gebeurt in ferriet, lagere temperatuur nodig [76](#page=76). * Geschiedt in oven met ammoniakgas (500-570°C) [76](#page=76). * Speciale staalsoorten (Cr-Mo, nitralloys) zijn geschikt [76](#page=76). * Plasmanitreren (ionnitreren) gebruikt geïoniseerd gas en hoge gelijkspanning [76](#page=76). * Plasmanitreren is snel en controleerbaar, maar duur [76](#page=76). * Nitreren leidt tot volumetoename [76](#page=76). #### Carbonitreren * Koolstof en stikstof diffunderen tegelijkertijd in het staal [76](#page=76). * Behandeling in oven met methaan en ammoniak [76](#page=76). * Vereist lagere temperaturen en minder dramatisch afschrikken dan carboneren [77](#page=77). * Afschrikken in lucht is vaak voldoende [77](#page=77). #### Plaatselijk verhitten en afschrikken * Krachtige warmtebron verhit het oppervlak van staal met voldoende koolstof [77](#page=77). * Warmte blijft geconcentreerd in de randzone, die snel op hardingstemperatuur komt [77](#page=77). * Direct afschrikken na verhitting vormt martensiet in de randzone [77](#page=77). ##### Vlamharden * Gebruikt een gasbrander die is aangepast aan het werkstukoppervlak [77](#page=77). * Brander wordt vervangen door watersproeier na bereiken hardingstemperatuur [77](#page=77). * Lijnharding: brander en sproeier bewegen kort na elkaar over het oppervlak [77](#page=77). ##### Inductieharden --- # gelegeerd staal en de indeling ervan ### Core idea * Gelegeerd staal bevat opzettelijk toegevoegde legeringselementen om de eigenschappen te verbeteren [82](#page=82). * De eigenschappen van gelegeerd staal worden primair bepaald door de legeringselementen, vaak in combinatie met warmtebehandeling [82](#page=82). * Legeren verbetert mechanische, chemische en technologische eigenschappen van staal [82](#page=82). ### Key facts * Laaggelegeerd staal bevat maximaal 5% legeringselementen (exclusief koolstof) [82](#page=82). * Hooggelegeerd staal bevat meer dan 5% legeringselementen [83](#page=83). * Legeringselementen verlagen de kritische afkoelsnelheid, wat harden vergemakkelijkt en vervormingen vermindert [82](#page=82). * Alleen door legeren kan staal corrosievast gemaakt worden [82](#page=82). * Corrosievaste stalen (RVS) zijn een uitzondering die vaak geen warmtebehandeling nodig hebben [82](#page=82). ### Key concepts * **Laaggelegeerd staal**: Meestal gelegeerd om hardingseigenschappen te verbeteren [82](#page=82). * **Hooggelegeerd staal**: Legeringselementen hebben grote invloed op het Fe-C diagram [83](#page=83). * **Austenitische staalsoorten**: Vergroot austenietgebied (Mn, Ni, Co); niet hardbaar, taai, niet magnetisch, koudverstevigend. Voorbeelden: mangaanstaal (slijtvast) en nikkelstaal (treksterkte/taaiheid). Invarstaal (36% Ni) zet nauwelijks uit [83](#page=83). - **Ferritische staalsoorten**: Verkleint austenietgebied (Cr, Mo, Si, V, Ti, W, Al); stollen zonder omzetting; niet hardbaar, goed warmtevast, corrosievaster, bijzondere magnetische eigenschappen. Voorbeelden: chroomstaal (corrosievast bij >13% Cr) en vuurvast - **Chroom-nikkelstaal**: Combinatie hardheid (Cr) en taaiheid (Ni); austenitische RVS die niet hardbaar en niet magnetisch zijn. Voorbeeld: X6CrNi1810 voor diverse toepassingen in voedingsindustrie en huishoudelijk gebruik. Martensitische RVS zijn wel * **Automatenstaal**: Vormt korte spanen bij verspaning door zwavel (S). Voorbeelden: 9S20 en corrosievast X10CrS17 [84](#page=84). * **Gereedschapstaal**: Moet grote standtijd, drukvastheid, vermoeiingsweerstand en slijtvastheid hebben, zelfs bij hoge temperaturen [84](#page=84). * Laaggelegeerd/ongelegeerd gereedschapstaal (0.6-1.6%C): Verhoogt taaiheid en hardbaarheid, voor koude bewerkingen [85](#page=85). * Hoog gelegeerd gereedschapstaal (snelstaal/HSS): Bevat carbidevormers (W, Mo, V) en Co voor hoge hardheid en slijtvastheid bij hogere temperaturen (tot ca. 600°C). Aanduiding volgens DIN 17350, bijv. S6-5-2 [85](#page=85). ### Implications * Legeringselementen kunnen de structuur veranderen, wat vaak een warmtebehandeling vereist [82](#page=82). * Een combinatie van grote sterkte en grote taaiheid is met ongelegeerd staal moeilijk te bereiken [82](#page=82). * Lagere kritische afkoelsnelheid door legering vermindert kans op vervormingen, interne spanningen of scheuren tijdens harden [82](#page=82). * Hooggelegeerd staal vereist andere methoden dan het standaard Fe-C diagram voor warmtebehandelingstemperaturen [83](#page=83). * Bepaalde legeringen, zoals mangaanstaal, ontwikkelen hun eigenschappen pas door gebruik (koudversteviging) [83](#page=83). --- # gietijzer, de definities en eigenschappen ### Kernidee * Gietijzer is een ijzer-koolstoflegering met meer dan 2% koolstof, meestal tussen 2,5% en 4% [86](#page=86). * Er zijn twee stollingsvormen: wit gietijzer (metastabiel, koolstof als ijzercarbide) en grijs gietijzer (stabiel, koolstof als grafiet) [86](#page=86). * De stollingsvorm wordt beïnvloed door afkoelsnelheid en legeringselementen [86](#page=86). ### Sleutelbegrippen * **Wit gietijzer (GW)**: Ontstaat bij snelle afkoeling en/of hoog mangaangehalte. Zeer hard, slijtvast, maar bros. Moeilijk te bewerken, enkel door slijpen [86](#page=86). * **Grijs gietijzer (GG)**: Ontstaat bij trage afkoeling en/of hoog siliciumgehalte. Koolstof aanwezig als grafietlamellen. Goed gietbaar en verspanbaar. Hoge druksterkte en trillingsdempend, maar bros met geringe rek [86](#page=86). * **Nodulair gietijzer (GN)**: Grafiet wordt uitgescheiden in bolvorm door toevoeging van magnesium. Minder materiaalverzwakking dan lamellen. Eigenschappen evenaren staal, met behoud van goede gieteigenschappen [87](#page=87). * **Bainitisch nodulair gietijzer (ADI)**: Een warmtebehandelde vorm van nodulair gietijzer. Combineert hoge taaiheid met goede gieteigenschappen [88](#page=88). * **Hardschilgietijzer**: Rand van het gietstuk stolt wit (hard), de kern grijs (taai) [86](#page=86). ### Kernfeiten * Silicium gaat de vorming van carbiden tegen en bevordert grijs gietijzer [86](#page=86). * Mangaan is een carbidevormer en bevordert wit gietijzer [86](#page=86). * Grijs gietijzer heeft lamellen die als inwendige kerven werken [86](#page=86). * Nodulair gietijzer heeft bolvormige grafietinsluitingen [87](#page=87). * Krukassen in kleine automotoren worden vaak uit nodulair gietijzer gemaakt [88](#page=88). * Bainitisch nodulair gietijzer wordt gebruikt voor tandwielen en krachtoverbrengende onderdelen [88](#page=88). ### Implicaties * De grafietvorm (lamellen vs. bollen) heeft een grote invloed op de mechanische eigenschappen [87](#page=87). * Nodulair gietijzer biedt een verbeterde taaiheid ten opzichte van grijs gietijzer [87](#page=87). * ADI-gietijzer is een geavanceerde variant met verbeterde mechanische eigenschappen [88](#page=88). - > **Tip:** De benamingen GG, GW, GN en ADI zijn belangrijke codes om de verschillende soorten gietijzer te herkennen - > **Voorbeeld:** Een gietstuk met een harde, slijtvaste buitenkant en een taaie kern is waarschijnlijk hardschilgietijzer [86](#page=86) --- # Magnesium-, titaan- en koperlegeringen ### Magnesiumlegeringen * Magnesium is een van de lichtste technisch bruikbare metalen (dichtheid 1,74) [94](#page=94). * Het is nog 2/3 lichter dan aluminium (dichtheid 2,7) [94](#page=94). * Magnesiumlegeringen hebben een zeer goede specifieke sterkte na legeren [94](#page=94). * Grote gevoeligheid voor corrosie en brosheid beperken de toepassing [94](#page=94). * Toepassingen: militaire systemen, vliegtuig- en helikopterbouw [94](#page=94). * Moeten beschermd worden tegen corrosie, bv. door schilderen of anodiseren [94](#page=94). * Mag niet met andere metalen gekoppeld worden vanwege zijn onedele karakter [94](#page=94). * Magnesium is erg brandbaar, vooral in fijnverdeelde toestand; speciale bluspoeders (D) gebruiken [94](#page=94). * Meest gebruikt: AZ91 (9%Al, 1%Zn, 0,2%Mn), goedkoopst maar beperkt tot 120°C [94](#page=94). ### Titaanlegeringen * Titaan is een licht metaal dat door legeren en warmtebehandeling zeer sterk kan worden [95](#page=95). * Ongelegeerd titaan is zacht en plooibaar [95](#page=95). * Dichtheid ligt tussen aluminium en staal (d=4,5) [95](#page=95). * Wordt voornamelijk als legering gebruikt, bv. Ti 6Al4V [95](#page=95). * Toepassingen: hitteschild (hoge smelttemperatuur 1668°C), marine-omgeving (zeewaterbestendig) [95](#page=95). * Ook gebruikt in de medische wereld voor prothesen en gebitbeugels [95](#page=95). * Optimale mechanische eigenschappen door precipitatieharden [95](#page=95). * Uitstekende corrosiebestendigheid, vereist meestal geen extra bescherming [95](#page=95). ### Koperlegeringen * Relatief sterk (600-800 N/mm²) met een dichtheid vergelijkbaar met staal [95](#page=95). * Veel lagere hardheid dan staal [95](#page=95). * 'Brons' slaat op koperlegeringen met tin als hoofdlegeringselement [96](#page=96). * Messing is een Cu-Zn legering [96](#page=96). * Kenmerken: hoge geleidbaarheid, uitstekende corrosie- en vermoeiingsweerstand [96](#page=96). * Toepassingen: elektrische bedrading, bussen, zelfsmerende lagers, elektrische connectoren [96](#page=96). --- # Structuur en eigenschappen van kunststoffen ### Kernidee * Kunststoffen zijn opgebouwd uit lange polymeerketens die de ruggengraat van het materiaal vormen [98](#page=98). * Technische kunststoffen bevatten naast polymeren ook vele toevoegstoffen die de eigenschappen beïnvloeden [99](#page=99). ### Sleutelbegrippen * **Polymeerketen:** Lange ketens van sterk gebonden koolstofatomen, met variërende zijgroepen [98](#page=98). * **Vernetting:** De mate waarin polymeerketens fysiek aan elkaar gebonden zijn [99](#page=99). * **Thermoplasten:** Niet-vernet, bewegen ten opzichte van elkaar, plastisch bij verwarming [99](#page=99). * **Thermoharders:** Zeer innig vernet, vormen een stijf, onoplosbaar netwerk [99](#page=99). * **Elastomeren:** Wijdmazig vernet, rubberachtige elasticiteit door beperkte beweging van ketens [99](#page=99). * **Ketenstijfheid:** Buigzaamheid van de hoofdketen, beïnvloed door ringen en zijgroepen [100](#page=100). * **Keteninteractie:** Aantrekkingskrachten tussen ketens, bepaald door polaire groepen [100](#page=100). * **Ketenlengte:** Beïnvloedt de mate van vernetting en de sterkte [100](#page=100). * **Ketenregelmaat:** Plaatsing van zijgroepen, beïnvloedt stapeling en stijfheid [100](#page=100). * **Visco-elasticiteit:** Gedrag dat zowel vloeistof- als vaste-stof eigenschappen vertoont [100](#page=100). * **Kruip:** Toenemende vervorming onder constante belasting door het losbreken van ketens [100](#page=100). * **E-modulus:** Maat voor de stijfheid van een materiaal . * **Glastoestand:** Ketens zijn verstard, hoge modulus, onder Tg . * **Rubbertoestand:** Ketens kunnen vrij bewegen, lagere modulus, boven Tg . * **Glasovergangstemperatuur (Tg):** Overgangstemperatuur tussen glas- en rubbertoestand . * **Vloeitemperatuur (Tv):** Overgangstemperatuur van rubber naar vloeistof . ### Belangrijke feiten * De hoofdketen kan dubbele bindingen bevatten, wat kan leiden tot vernetting en verharding [98](#page=98). * Toevoegstoffen kunnen meer dan 50% van de massa van een kunststof uitmaken [99](#page=99). * Thermoplasten zijn lasbaar en taai, maar niet zo hard [99](#page=99). * Thermoharders zijn hard, niet lasbaar en onoplosbaar [99](#page=99). * Elastomeren hebben een rubberachtige elasticiteit [99](#page=99). * Grote zijgroepen bemoeilijken het draaien van de hoofdketen, wat de keten stijver maakt [100](#page=100). * Polaire groepen in ketens verhogen de onderlinge aantrekking [100](#page=100). ### Implicaties --- # Verwerkingstechnieken voor kunststoffen ### Kernidee * Kunststoffen kunnen relatief gemakkelijk en goedkoop in hun uiteindelijke vorm worden gebracht, maar dit vereist een doordachte aanpak . ### Belangrijke feiten * Extruderen: Geschikt voor continue productie van halffabricaten zoals platen, profielen, buizen, vezels en draden . * Persen: Voornamelijk gebruikt voor thermoharders en elastomeren, vereist hoge druk en warmte voor uitharding . * Spuitgieten: Geschikt voor complexe gebruiksvoorwerpen, het proces is niet continu . * Kalanderen: Vooral gebruikt voor PVC-folie en geplastificeerde weefsels, waarbij kunststof tussen walsen tot een folie wordt uitgewalst . ### Belangrijke concepten * Extruderen: Een schroef transporteert, verdicht, plastificeert en homogeniseert het materiaal in een verhitte cilinder waarna een spuitkop de vorm bepaalt . * Persen: Een nauwkeurig afgewogen hoeveelheid persmassa wordt in een voorverwarmde vorm gegoten en onder druk en warmte uitgehard (vernet) . * Spuitgieten: Thermoplasten worden verhit tot ze week zijn en vervolgens in een onverwarmde metalen matrijs geperst waar ze afkoelen . * Kalanderen: Ook wel rollen of walsen genoemd, waarbij kunststof in plastische toestand tussen verscheidene walsen wordt uitgewalst . ### Implicaties * De keuze van de verwerkingstechniek hangt sterk af van het type kunststof (thermoplast, thermoharder, elastomeer) . * Continue productieprocessen zoals extrusie zijn efficiënt voor massaproductie van eenvoudige vormen . * Spuitgieten maakt de productie van ingewikkelde onderdelen mogelijk die geen nabewerking vereisen . * Folieproductie wordt voornamelijk gerealiseerd door kalanderen . - > **Tip:** Begrijpen van de aggregatietoestand van de kunststof bij de verwerkingstemperatuur is cruciaal voor het succes van de techniek --- # Productiemethoden en toepassingen van composieten ### Core idea * Composieten zijn combinaties van twee of meer materialen op macroschaal met zichtbaar onderscheiden componenten . * Technisch hoogwaardige composieten combineren vezels met hoge sterkte en E-modulus in een kunststofmatrix . * Eigenschappen van composieten zijn een combinatie van die van de componenten, vaak gericht op verbeterde sterkte/dichtheid verhoudingen . ### Key facts * Composieten bevatten typisch 20% tot 50% wapeningsmateriaal, luchtvaartcomposieten kunnen meer dan 60% vezels bevatten . * Veelgebruikte hoogwaardige composieten zijn koolstofvezel (CFRP), glasvezel (GFRP) en aramidevezel (AFRP) versterkte kunststoffen . * Technische composieten scoren beter dan traditionele metalen op het gebied van specifieke sterkte en stijfheid . * De eigenschappen van composieten zijn afhankelijk van de richting en vorm van de vezels (anisotropie) . * De "wet lay-up" of "hand lay-up" methode omvat het doordrenken van wapening met hars en laag per laag opbouwen . * Prepregs zijn vooraf geïmpregneerde wapeningsmaterialen die beperkt houdbaar zijn en gekoeld moeten worden . * Uitharden (curing) van het hars gebeurt bij ideale temperatuur en druk, vaak in een autoclaaf . * Composieten worden steeds meer toegepast in auto's, vliegtuigen, de vrijetijdsindustrie en huishoudelijke apparaten . ### Key concepts * **Anisotropie**: Eigenschappen van een composiet die afhankelijk zijn van de richting van de vezels . * **Vezeloriëntatie stacking sequence**: Stapelen van vezeldoeken in specifieke hoeken en aantallen, b.v. (0°, 45°, 90°, -45°, 0°)s, om symmetrie te bereiken . * **Glass Transition Temperature (Tg)**: De temperatuur waarbij een thermohardend materiaal van glasachtig naar zacht overgaat . * **G-modulus**: Verband tussen elastische afschuiving en hoekvervorming, analoog aan de E-modulus . ### Implications * De combinatie van vezelsterkte met een kunststofmatrix verbetert de sterkte/dichtheid verhouding aanzienlijk . * Anisotropie maakt gerichte materiaaleigenschappen mogelijk, essentieel voor efficiënte structurele ontwerpen . * Onvolledige uitharding of hoge temperaturen kunnen de G-modulus verlagen en de gebruikstemperatuur beperken . * Herstellingen met uitharden bij kamertemperatuur zijn beperkt tot kleine oppervlakken vanwege de G-modulus . - > **Tip:** De naamgeving van composieten is complex; vaak worden commerciële namen gebruikt van leveranciers zoals Hexcel of BASF - > **Tip:** Visuele inspectie is cruciaal voor het detecteren van schade zoals inslagen, blikseminslag, kraken of delaminatie --- # Corrosie: definitie, potentiaalopbouw en spanningsreeks ### Kernconcepten * Corrosie is een destructieve aantasting van metaal door reactie met de omgeving, meestal een elektrochemisch proces . * De potentiaalopbouw ontstaat doordat een metaal in een oplossing lading opbouwt, afhankelijk van metaalsoort, oplossing en temperatuur . * De spanningsreeks rangschikt metalen op basis van hun toenemende potentiaal, wat de neiging tot oplossen aangeeft . ### Definitie van corrosie * Corrosie is een elektrochemisch proces gebaseerd op redoxreacties . * Het is een universeel en kostbaar probleem bij het gebruik van metalen . ### Potentiaalopbouw * Een metaal in water lost op tot metaalionen, waarbij elektronen achterblijven en de staaf negatief laden . * Een evenwicht ontstaat tussen het oplossen van metaal en de concentratie metaalionen in de oplossing . * Onedele metalen lossen gemakkelijker op en bereiken een negatievere potentiaal . * Een metaal in een oplossing van zijn eigen ionen bouwt een lading op die afhangt van metaalsoort, oplossing, en temperatuur . * De lading van een metaal is een maat voor zijn sterkte als reductor . ### Normpotentialen en referentiepotentiaal * Normpotentialen (E°) worden gemeten onder standaardomstandigheden: 298 K, 1 mol/l eigen ionen, 101325 Pa voor gassen . * Absolute ladingen zijn moeilijk te meten; men gebruikt een referentie-elektrode . * Het redoxkoppel $2H^+ + 2e^- \leftrightarrow H_2$ dient als conventionele referentie met een normpotentiaal van 0,000V . * Een negatievere potentiaal betekent een onedeler metaal met een grotere neiging om op te lossen . ### De spanningsreeks * De spanningsreeks rangschikt metalen volgens toenemende potentiaal (van onedel naar edel) . * De reeks toont de neiging tot oplossen en de sterkte als reductor . * Voorbeeld: Na Mg Al Zn Fe Pb H2 Cu Ag Au . * Het milieu (corrosiepotentiaal) kan de volgorde in de spanningsreeks beïnvloeden . * Minder edel betekent negatiever, lost meer op; meer edel betekent positiever, lost minder op . - > **Tip:** De spanningsreeks is een essentieel hulpmiddel om potentiële corrosie tussen verschillende metalen te voorspellen - > **Voorbeeld:** Roestvast staal geriveteerd aan een aluminiumplaat leidt tot corrosie van de aluminiumplaat omdat aluminium onedeler is --- # Vormen van corrosie ### Uniforme corrosie * Corrosie tast het gehele oppervlak van het object aan, maar vormt een beschermlaag . * Beperkt zich meestal tot het oppervlak en is primair een esthetisch probleem . * Kan leiden tot putcorrosie of interkristallijne corrosie indien niet aangepakt . * Onmiddellijke verwijdering en herstel van oppervlakken is de boodschap . ### Putcorrosie * Corrosie die zich in de diepte voortzet, doordat de corrosielaag continu wordt afgevoerd of opgelost . * Kan optreden bij verhoogde stroomsnelheden of in milieus die hydroxidevorming beletten . * Chloriderijke omgevingen kunnen de vorming van ijzer(III)hydroxide beletten, wat dieptecorrosie bevordert . * Gevaarlijk omdat het lokaal optreedt en snel leidt tot perforatie . * Kan voorkomen als de beschermlaag edeler is dan het te beschermen materiaal . ### Erosie corrosie * Ontstaat wanneer een gevormde beschermlaag mechanisch verdwijnt door wrijving, b.v. door stroomsnelheid van elektrolyt . * Nauwe samenhang met andere corrosievormen waarbij de deklaag niet blijft bestaan . ### Galvanische corrosie * Ontstaat wanneer twee materialen van verschillende edelheid direct aan elkaar gekoppeld zijn in metallisch en elektrolytisch contact . * Het minst edele metaal offert zich op en lost op, leidend tot overmatige aantasting van de anode . * Een aluminium deksel op een colablik kan staal aantasten i.p.v. het minder edele aluminium door de vorming van een beschermende aluminiumoxidehuid . ### Exfoliatie corrosie * Uit zich in lagen, een ernstige vorm van interkristallijne corrosie . * Materiaal zwelt op en vertoont gelaagde corrosieproducten tussen dunne metaallagen . * Komt voor bij gewalste en geëxtrudeerde producten . ### Spanningscorrosie (SCC) * Doet zich voor bij metalen onder constante mechanische spanning in aanwezigheid van een elektrolyt . * Vormt zones met hogere energie-inhoud die proberen te dalen door ionen vrij te geven . * Verraderlijk door snelle voortplanting van metaalscheuren door de korrel met weinig zichtbare corrosieproducten . ### Interkristallijne corrosie * Ontstaat wanneer door warmtebehandeling of vervorming een minder edele fase zich uitscheidt op korrelgrenzen . * De korrelgrenzen zijn minder edel dan het centrum van de korrel . * Vertoont zeer kleine oppervlaktesymptomen en is moeilijk op te sporen, maakt het verraderlijk . * Sommige hoge sterkte aluminiumlegeringen zijn hier gevoelig voor . ### Spleetcorrosie * Ontstaat binnenin een spleet door zuurstoftekort van het elektrolyt . --- # Lab-oefeningen materialen ### Veiligheidsnota voor het lab * Draag altijd een labojas bij alle proeven . * Gebruik handschoenen en een tang bij het manipuleren van warme metalen en plaats gloeiende objecten op een driepikkel met draadnet . * Werk zoveel mogelijk onder een zuurkast met reagentia . * Houd schuurtafels en testtoestellen correct voor om verwondingen te voorkomen . * Deponeer metaal- en vloeistofafval in de juiste containers . ### Mechanische eigenschappen van metalen #### Trekproef * De proef meet het gedrag van materialen onder belasting door een proefstaaf te rekken tot breuk . * Het trekdiagram toont het verband tussen belasting en verlenging . * **Gevraagde resultaten:** treksterkte, breukrek (uit curve en gemeten), insnoering, bovenste vloeigrens, 0,2% rekgrens, werkelijke spanning bij breuk, E-modulus . #### Hardheidsmeting * Hardheid is de weerstand tegen indringing van een harder voorwerp . * De Vickershardheid wordt gemeten en is geschikt voor harde en zachte materialen met een glad oppervlak . ### Mechanische eigenschappen van kunststoffen * **Doel:** Verband leggen tussen moleculaire opbouw en mechanische eigenschappen via fysiek onderzoek en literatuurstudie . * **Moleculaire opbouw:** Zoek moleculaire structuren op, maak ze na met molecuulmodellen en maak een foto . * **Hypothese:** Stel een gefundeerde hypothese op over sterkte, hardheid, vervormbaarheid en taaiheid . * **Trekproef:** Bepaal treksterkte en breukrek, vergelijk met specificaties . * **Kerfslagproef:** Bepaal de Charpy kerfslagwaarde, vergelijk met specificaties . * **Besluit:** Vergelijk waarnemingen met de oorspronkelijke hypothese . ### Macro- en microscopische metaalonderzoek #### Identificatie van metalen * **Ferrometalen:** Herkenbaar aan magnetisme en roodbruine roest (met uitzondering van ferritisch RVS) . * Gietijzers: ruw oppervlak, bros, grijs of glinsterend breukvlak . * Constructiestalen: profielen, gelaste constructies, makkelijk bewerkbaar . * Gereedschapsstalen: harder, moeilijker bewerkbaar, geen gelaste verbindingen . * Warmtebehandelde stalen: verkleuring, zwart/donkerblauw oppervlak, moeilijk bewerkbaar . * **Non-ferro metalen:** Niet magnetisch, gedifferentieerd op kleur en dichtheid . * Koper: zalmkleurig, zeer vervormbaar . * Messing (koper-zink): geler met meer zink . * Brons (koper-tin): bruinere tint . #### Microscopie en kwantitatieve metallografie ### Warmtebehandelingen #### Harden en veredelen van C45 ### Identificatie van kunststoffen #### Vlamtest #### Dichtheidsmeting ### Corrosie #### Elektrolyten #### Batterijen: Hoe werkt dit? --- ### Kernidee * Brandstofcellen produceren elektriciteit uit extern aangevoerde chemicaliën, in tegenstelling tot batterijen die hun kracht verliezen door verbruik . * De potentiaalmeting van een metaalstaaf gebeurt door het potentiaalverschil te meten ten opzichte van een referentiepotentiaal . ### Belangrijke feiten * Loodaccu's (Pb-accu's) bestaan uit cellen die elk 2V leveren; 6 cellen in serie leveren 12V . * De reacties in een loodaccu zijn omkeerbaar, waardoor de batterij herbruikbaar is na het aanleggen van de juiste spanning . * Andere herlaadbare batterijen zijn Ni-Cd, Ni-metaalhydride, lithium-ion en zink-lucht . * Brandstofcelauto's hebben een 2x hoger rendement dan verbrandingsmotoren en produceren water als afvalproduct . * Onedele metalen lossen beter op in zuur en geven gemakkelijker elektronen af, wat resulteert in een negatieve staafpotentiaal . * Het potentiaalverschil van een platina elektrode in contact met waterstofgas en een 1 M H+-oplossing is als nulpunt aangenomen . ### Belangrijke concepten * **Omkeerbaarheid van reacties:** Loodaccu's kunnen worden opgeladen omdat de ontladingsreacties omkeerbaar zijn . * **Brandstofcel vs. Batterij:** Brandstofcellen vereisen continue aanvoer van brandstof, terwijl batterijen interne chemische opslag hebben . * **Onedel vs. Edel metaal:** De reactiviteit van metalen bepaalt hun neiging om elektronen af te staan (onedel) of op te nemen (edel) . * **Referentiepotentiaal (Nernst):** Een standaard waterstofelektrode wordt gebruikt als referentiepunt (0,0000 V) voor het meten van andere elektrodepotentialen . * **Standaard waterstofelektrode:** Een platina elektrode in een 1 M H+-oplossing, onder 1 atm waterstofgasdruk, met een potentiaal van 0,0000 V . ### Implicaties * De omkeerbaarheid van loodaccu's maakt ze economisch en milieuvriendelijk door hergebruik . * Brandstofcellen bieden een potentieel voor schonere en efficiëntere energieopwekking, met name in transport . * Het concept van edele en onedele metalen is fundamenteel voor het begrijpen van elektrochemische reacties en corrosie . * De Nernst-potentiaal is essentieel voor het kwantificeren van de potentiaalverschillen tussen verschillende elektroden in een elektrochemische cel . ### Oefenmateriaal (implicatie uit context) * Het principe van de standaard waterstofelektrode wordt gebruikt voor kalibratie in potentiaalmetingen . - > **Tip:** Onthoud dat het potentiaalverschil van de standaard waterstofelektrode exact 0,0000 V is - Dit is een belangrijk referentiepunt --- # Elektrolyten en hun geleidbaarheid ### Kernidee * Een elektrolyt is een stof die, opgelost in water, elektrische stroom geleidt . * Geleidbaarheid is afhankelijk van de aanwezigheid van beweegbare, geladen deeltjes (ionen) in de oplossing . * Sterke elektrolyten splitsen volledig in ionen, zwakke elektrolyten in evenwicht . ### Belangrijke feiten * Polaire en ionische verbindingen lossen op in water door het dipoolkarakter van water . * Oplossen van ionische stoffen zoals NaCl in water leidt tot vorming van gehydrateerde ionen (Na+ en Cl-) . * Voorbeelden van elektrolytische dissociatie: NaCl(s) $\rightarrow$ Na+(aq) + Cl–(aq) en Mg(OH)2 $\Leftrightarrow$ Mg2+ + 2 OH- . * Stoffen die oplossen zonder ionen (bv. suiker) of niet oplossen, zijn geen elektrolyten . * Geleidbaarheid (G) van een oplossing kan berekend worden met de specifieke geleidbaarheid ($\kappa$) . * Specifieke geleidbaarheid $\kappa$ = $G \cdot \frac{L}{A}$ . * $\kappa$ wordt bepaald door de hoeveelheid geladen deeltjes en de temperatuur . * Geleidbaarheid wordt gemeten met een geleidbaarheidsmeter en -cel met platina elektroden . * Bij geleidbaarheidsmetingen moet wisselstroom gebruikt worden om elektrolyse te voorkomen . * Spoelen van de cel met gedemineraliseerd water en de te meten oplossing is essentieel . ### Kernconcepten * Elektrolytische dissociatie: splitsing van ionische stoffen in ionen bij oplossen in water . * Sterk elektrolyt: stof die volledig dissocieert tot ionen . * Zwak elektrolyt: stof die een evenwicht vormt tussen moleculen en ionen . * Specifieke geleidbaarheid ($\kappa$): geleidbaarheid per eenheid van lengte en oppervlakte, onafhankelijk van de meetopstelling . * Celconstante: eigenschap van de geleidbaarheidscel bepaald door afstand en oppervlakte van elektroden . ### Implicaties * Verschil in geleidbaarheid kan gebruikt worden om sterke en zwakke elektrolyten te onderscheiden . * Temperatuur heeft invloed op de specifieke geleidbaarheid . * Wisselstroom is cruciaal voor meting om ontbinding van stoffen te voorkomen . * Praktische toepassingen van geleidbaarheidsmetingen omvatten analyse van waterkwaliteit en concentratiebepaling . - > **Tip:** Stoffen die oplossen maar geen ionen vormen, zoals suiker, geleiden de stroom niet en zijn dus geen elektrolyten --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Term | Definitie | | Oppervlakteharden | Een warmtebehandeling waarbij alleen de buitenlaag van een werkstuk wordt gehard, terwijl de kern taai en stootbestendig blijft, om slijtagebestendigheid te verhogen zonder de taaiheid van het materiaal te verliezen. | | Carboneren | Een proces waarbij het koolstofgehalte in de buitenlaag van niet-hardbaar staal wordt verhoogd tot ongeveer 0,8% door het werkstuk langdurig te gloeien in een koolstofrijk medium, waarna het gehard kan worden door afschrikken. | | Nitreren | Een hardingsmethode waarbij stikstof in het oppervlak van het staal diffundeert, wat leidt tot de vorming van zeer harde nitriden en een directe verharding zonder afschrikken, vaak uitgevoerd bij temperaturen tussen 500 en 570°C in ammoniakgas. | | Plasmanitreren (Ionitreren) | Een geavanceerde methode van nitreren waarbij werkstukken als kathode dienen in een oven gevuld met ammoniakgas; onder invloed van een hoge gelijkspanning wordt het gas geïoniseerd tot een plasma, waardoor stikstofionen en atomen op het werkstuk botsen en diffunderen. | | Carbonitreren | Een oppervlaktehardingsmethode waarbij zowel koolstof als stikstof in het staal diffunderen, meestal uitgevoerd in een oven met methaan en ammoniak, wat lagere temperaturen en minder dramatisch afschrikken vereist dan puur carboneren. | | Vlamharden | Een methode van oppervlakteharden waarbij het oppervlak van een werkstuk met voldoende koolstofgehalte met een gasbrander snel wordt opgewarmd tot hardingstemperatuur, gevolgd door direct afschrikken, wat resulteert in martensietvorming in de randzone. | | Inductieharden | Een proces waarbij warmte wordt opgewekt door een elektrische stroom te laten lopen in een inductiespoel rondom het werkstuk, wat een magnetisch wisselveld creëert dat inductiestromen veroorzaakt en het oppervlak zeer snel opwarmt tot hardingstemperatuur, waarna afschrikken martensiet in het oppervlak vormt. | | Martensiet | Een zeer harde, brosse microstructuur die ontstaat in staal door snelle afkoeling (afschrikken) van de austenietfase, wat essentieel is voor het bereiken van hoge hardheid bij warmtebehandelingen zoals harden en oppervlakteharden. | | Veredelen | Een warmtebehandeling die bestaat uit het verwarmen en afschrikken van staal, gevolgd door ontlaten op hogere temperatuur, wat resulteert in een taaiere structuur met fijne carbiden, geschikt voor zwaarbelaste onderdelen. | | Veredelstaal | Een verzamelnaam voor laaggelegeerde staalsoorten die speciaal zijn ontwikkeld voor de veredelingsbehandeling, waarbij de legeringselementen de kritische afkoelsnelheid verlagen en de gewenste sterkte en taaiheid bevorderen. | | Gelegeerd staal | Staal waaraan opzettelijk één of meer legeringselementen zijn toegevoegd om de eigenschappen te verbeteren. Bij gelegeerd staal bepalen de legeringselementen grotendeels de eigenschappen, vaak door de structuur te veranderen, wat soms warmtebehandeling vereist. | | Ongelegeerd staal | Staal waarvan de eigenschappen primair worden bepaald door het koolstofgehalte en de structuur, zonder de opzettelijke toevoeging van specifieke legeringselementen om de eigenschappen te veranderen. | | Legeringselementen | Elementen die opzettelijk aan staal worden toegevoegd om specifieke eigenschappen, zoals sterkte, hardheid, taaiheid, corrosievastheid of technologische eigenschappen, te verbeteren. | | Laaggelegeerd staal | Staal dat hoogstens 5% legeringselementen bevat, exclusief koolstof. Deze legeringen worden vaak toegevoegd om de hardingseigenschappen te verbeteren. | | Hooggelegeerd staal | Staal dat meer dan 5% legeringselementen bevat. Deze hoge concentraties hebben een significante invloed op het ijzer-koolstofdiagram en de staaleigenschappen. | | Austenitische staalsoorten | Een type hooggelegeerd staal waarbij legeringselementen zoals mangaan, nikkel en kobalt het austenietgebied vergroten, waardoor de staalsoort zijn austenietstructuur behoudt tijdens het afkoelen. Deze staalsoorten zijn niet hardbaar, zeer taai en niet-magnetisch. | | Ferritische staalsoorten | Een type hooggelegeerd staal waarbij legeringselementen zoals chroom, molybdeen en silicium het austenietgebied verkleinen en het ferrietgebied vergroten. Deze staalsoorten stollen en koelen zonder omzetting, zijn niet hardbaar, hebben een goede warmtevastheid en bijzondere magnetische eigenschappen. | | Chroom-nikkelstaal | Een type hooggelegeerd staal dat zowel chroom als nikkel bevat. Deze combinatie resulteert in austenitische corrosievast staal dat niet hardbaar en niet magnetisch is, maar wel geschikt voor buitengebruik. | | Automatenstaal | Staal dat bij verspanende bewerkingen korte spaanders produceert, wat het geschikt maakt voor seriedraaiwerk. Zwavel is een veelvoorkomend legeringselement dat bijdraagt aan de vorming van korte, brosse spaanders. | | Gereedschapstaal | Staal dat speciaal is ontworpen voor gereedschappen en hoge eisen stelt aan standtijd, hardheid, drukvastheid, vermoeiingsweerstand en slijtvastheid, zelfs bij verhoogde temperaturen tijdens gebruik. | | Snelstaal (HSS) | Een type hooggelegeerd gereedschapstaal voor snijgereedschappen dat legeringselementen bevat die carbiden vormen, wat de hardheid en slijtvastheid bevordert. Het kan hogere temperaturen weerstaan dan laaggelegeerd gereedschapstaal. | | Vloeigrens | De spanning waarbij een materiaal begint te plastisch te vervormen. In de context van staal wordt dit vaak aangeduid met de minimale vloeigrens in N/mm². | | Vloeitemperatuur ($T_v$) | De temperatuur waarbij een kunststof begint te vloeien en de polymeerketens volledig loskomen, wat resulteert in een vloeibare toestand. | | Glastoestand | Een toestand van een kunststof waarbij de amorfe fase stijf is, vergelijkbaar met glas, en de kunststof daardoor bros en ondoorzichtig kan zijn. | | Rubbertoestand | Een toestand van een kunststof waarbij de amorfe fase flexibel en rubberachtig is, terwijl kristallen nog aanwezig kunnen zijn, wat resulteert in een goede taaiheid en slagsterkte. | | Vernetting | Het proces waarbij polymeerketens chemisch met elkaar verbonden worden, wat leidt tot een driedimensionaal netwerk dat de kunststof onoplosbaar en onvervormbaar maakt, kenmerkend voor thermoharders. | | Extruderen | Een continu verwerkingsproces waarbij thermoplastisch materiaal in poeder- of korrelvorm door een verhitte cilinder met een schroef wordt geleid, geplastificeerd en vervolgens door een spuitkop in de gewenste vorm wordt geperst om halffabrikaten te produceren. | | Persen (Warmpersen) | Een verwerkingsmethode, voornamelijk voor thermoharders en elastomeren, waarbij een voorverwarmde kunststofmassa onder hoge druk en temperatuur in een vorm wordt geperst om te vernetten en het uiteindelijke voorwerp te vormen. | | Spuitgieten | Een verwerkingsmethode waarbij thermoplasten worden verhit tot ze week zijn en vervolgens in een onverwarmde metalen matrijs worden geperst, waar ze afkoelen om complexe gebruiksvoorwerpen te vormen die meestal geen nabewerking vereisen. | | Kalanderen (Rollen/Walsen) | Een verwerkingsmethode waarbij kunststoffen, zoals PVC, in plastische toestand tussen een reeks walsen worden uitgewalst tot een doorlopende folieband, vaak gebruikt voor de productie van folies en geplastificeerde weefsels. | | Composieten | Combinaties van twee of meerdere materialen op macroschaal, waarbij de verschillende componenten zichtbaar onderscheiden kunnen worden en een duidelijk grensvlak hebben. | | Technisch hoogwaardige composieten (advanced composites) | Composieten waarin vezels met hoge sterkte en hoge E-modulus zijn ingebed in een kunststofmatrix, vaak gebruikt in veeleisende toepassingen. | | Matrix | Het bindende materiaal in een composiet, meestal een kunststof zoals epoxy of onverzadigde polyester, dat de wapening bij elkaar houdt en de belasting overdraagt. | | Wapening | Het versterkende materiaal in een composiet, zoals glasvezel, grafietvezel, aramidevezel, metaal of keramiek, dat zorgt voor de mechanische sterkte en stijfheid. | | Koolstofvezel versterkte kunststof (CFRP) | Een composietmateriaal dat koolstofvezels als wapening gebruikt in een kunststofmatrix, bekend om zijn hoge sterkte en stijfheid. | | Glasvezelversterkte kunststof (GFRP) | Een composietmateriaal dat glasvezels als wapening gebruikt in een kunststofmatrix, veelgebruikt vanwege zijn goede sterkte-gewichtsverhouding en kosteneffectiviteit. | | Aramidevezel versterkte kunststof (AFRP) | Een composietmateriaal dat aramidevezels als wapening gebruikt in een kunststofmatrix, gekenmerkt door zijn hoge sterkte, stijfheid en goede slagvastheid. | | Anisotropie | Het verschijnsel waarbij de eigenschappen van een materiaal afhankelijk zijn van de richting, wat bij composieten wordt veroorzaakt door de oriëntatie en vorm van de vezels. | | Wet lay-up (hand lay-up) methode | Een productiemethode voor composieten waarbij de wapening laag per laag wordt doordrenkt met matrixhars en handmatig wordt gevormd. | | Prepreg | Voorgeweefde of geweven wapening die vooraf is geïmpregneerd met een nog niet uitgeharde matrixhars, wat zorgt voor een gecontroleerde harsverdeling en betere eigenschappen. | | Uitharden (curing) | Het proces waarbij de matrixhars in een composiet wordt verhard, meestal door middel van warmte en druk, om de uiteindelijke mechanische eigenschappen te verkrijgen. | | Autoclaaf | Een drukvat dat wordt gebruikt voor het uitharden van composieten onder gecontroleerde temperatuur en druk, wat resulteert in hoogwaardige onderdelen met minimale defecten. | | Corrosiecel | Een elektrochemisch systeem bestaande uit een anode (waar oxidatie plaatsvindt en metaal oplost) en een kathode (waar reductie plaatsvindt), verbonden door een elektrolyt en een externe geleider, wat leidt tot het aantasten van het metaal. | | Anode | Het elektrodegebied binnen een corrosiecel waar metaal oplost door oxidatie, wat resulteert in de vorming van metaalionen en het vrijkomen van elektronen. Dit is het deel dat corrodeert. | | Kathode | Het elektrodegebied binnen een corrosiecel waar reductie plaatsvindt, waarbij elektronen worden opgenomen door oxidatoren zoals zuurstof of waterstofionen. De kathode wordt over het algemeen niet aangetast. | | Elektrolyt | Een vloeistof die ionen bevat en daardoor elektrische stroom kan geleiden. In het geval van corrosie is dit vaak water met opgeloste zouten of zuren, dat de ionenstroom tussen anode en kathode faciliteert. | | Edelheid | Een maat voor de neiging van een metaal om te oxideren; edelere metalen hebben een hogere (meer positieve) standaard elektrode potentiaal en corroderen minder gemakkelijk dan onedele metalen. | | Passivatie | Het proces waarbij een metaaloppervlak een beschermende, inerte film vormt die verdere corrosie tegengaat. Dit gebeurt vaak door reactie met de omgeving, zoals de vorming van een oxidefilm op aluminium. | | Uniforme corrosie | Een corrosievorm waarbij het gehele metaaloppervlak gelijkmatig wordt aangetast en bedekt met een corrosielaag, die in eerste instantie als een beschermlaag kan fungeren. | | Putcorrosie | Een lokale corrosievorm die zich kenmerkt door de vorming van diepe putten in het metaaloppervlak. Dit type corrosie is gevaarlijk omdat het snel tot perforatie kan leiden. | | Koudvervorming | Het plastisch vervormen van een metaal bij een temperatuur onder de herkristallisatietemperatuur, wat interne spanningen kan veroorzaken en de corrosiegevoeligheid kan verhogen. | | Dimensionale eigenschappen | Verwijst naar de relatieve grootte van de anode en kathodegebieden op een metaaloppervlak. Een grote kathode ten opzichte van een kleine anode is ongunstig en versnelt de corrosie van de anode. | | Uniforme corrosie (general surface corrosion) | Een corrosievorm waarbij het gehele oppervlak van een voorwerp wordt bedekt met een corrosielaag. Deze laag kan het onderliggende materiaal beschermen tegen verdere aantasting en beperkt zich meestal tot het oppervlak, hoewel het kan leiden tot andere vormen van corrosie indien onbehandeld. | | Putcorrosie (pitting corrosion) | Een corrosievorm die zich kenmerkt door de voortzetting van de aantasting in de diepte van het materiaal. Dit gebeurt wanneer de corrosielaag continu wordt afgevoerd of opgelost, vaak in specifieke milieus zoals die met veel chloriden, wat leidt tot lokale perforatie van het materiaal. | | Erosie corrosie | Een corrosievorm die nauw samenhangt met de verwijdering van beschermende dek- of passivatielagen door mechanische invloeden, zoals de stroomsnelheid van het elektrolyt. De wrijving zorgt ervoor dat de gevormde beschermlaag niet kan blijven bestaan, waardoor het onderliggende materiaal wordt blootgesteld aan corrosie. | | Galvanische corrosie (galvanic corrosion) | Deze corrosievorm ontstaat wanneer twee metalen met verschillende edelheid in direct metallisch en elektrolytisch contact komen. Het minst edele metaal offert zich op door elektronen te leveren en op te lossen, wat leidt tot overmatige aantasting van dit metaal (de anode). | | Exfoliatie corrosie (exfoliation corrosion) | Een ernstige vorm van interkristallijne corrosie die zich uit in lagen. Het materiaal zwelt op en vertoont een gelaagde opbouw van corrosieproducten tussen dunne lagen van het oorspronkelijke metaal, vaak voorkomend bij gewalste en geëxtrudeerde producten. | | Spanningscorrosie (stress-corrosion cracking) SCC | Corrosie die optreedt bij metalen die onder constante mechanische spanning staan in aanwezigheid van een elektrolyt. Dit leidt tot zones met een hogere energie-inhoud die proberen te dalen door ionen af te geven, wat resulteert in snelle scheurvorming door de korrel met weinig zichtbare corrosieproducten. | | Interkristallijne corrosie (intergranular corrosion) | Corrosie die specifiek optreedt langs de grenzen van de korrels in een metaal. Dit gebeurt wanneer door warmtebehandeling of vervorming een minder edele fase zich uitscheidt op de korrelgrenzen, waardoor deze grenzen gevoeliger worden voor aantasting dan het centrum van de korrel. | | Spleetcorrosie (crevice corrosion) | Corrosie die zich voordoet binnenin een spleet waar het elektrolyt zich bevindt. Door een zuurstoftekort in de spleet en een zuurstofrijkere omgeving daarbuiten, ontstaat een elektrochemische cel die leidt tot lokale aantasting diep in de spleet, vaak te laat opgemerkt. | | Elektrolytische dissociatie | Het proces waarbij een ionische stof bij het oplossen in water uiteenvalt in positieve en negatieve ionen, waardoor de oplossing elektrisch geleidend wordt. | | Sterk elektrolyt | Een elektrolyt die bij het oplossen in water volledig splitst in ionen, wat resulteert in een hoge elektrische geleidbaarheid van de oplossing. | | Zwak elektrolyt | Een elektrolyt die bij het oplossen in water een evenwicht bereikt tussen de moleculaire vorm en de ionen, wat leidt tot een lagere elektrische geleidbaarheid in vergelijking met een sterk elektrolyt. | | Geleidbaarheid (G) | Een maat voor hoe goed een stof elektrische stroom kan geleiden, uitgedrukt in Siemens (S). | | Specifieke geleidbaarheid () | De geleidbaarheid van een elektrolytkolom met een lengte van 1 cm en een oppervlakte van 1 cm², uitgedrukt in Siemens per centimeter (S·cm⁻¹). Deze waarde is onafhankelijk van de meetopstelling en wordt bepaald door de hoeveelheid geladen deeltjes en de temperatuur. | | Celconstante | Een factor die de geometrische eigenschappen van een geleidbaarheidscel bepaalt, gerelateerd aan de afstand tussen de elektroden en hun oppervlakte. Deze constante wordt gebruikt om de gemeten geleidbaarheid om te zetten naar specifieke geleidbaarheid. | | Wisselstroom | Een elektrische stroom die periodiek van richting verandert. Dit type stroom wordt gebruikt bij geleidbaarheidsmetingen om elektrolyse te voorkomen. | | Gelijkstroom | Een elektrische stroom die slechts in één richting vloeit. Het gebruik van gelijkstroom bij elektrolyten kan leiden tot ontbinding van de opgeloste stoffen. | | Elektrochemische reactie | Een chemische reactie die gepaard gaat met de uitwisseling van elektronen, wat resulteert in de productie of het verbruik van elektrische energie, zoals in batterijen. | | Pool (batterij) | Een van de twee uiteinden van een batterij waar de elektrische stroom wordt afgenomen of toegevoerd. Een batterij heeft een positieve (+) en een negatieve (-) pool. | | Zink/koolstof-cel | Een veelvoorkomend type batterij dat werkt op basis van elektrochemische reacties tussen zink, koolstof en een elektrolyt. | | Kristalrooster | Een regelmatige driedimensionale rangschikking van atomen, ionen of moleculen in een vaste stof, die de basis vormt voor de kristallijne structuur van materialen. | | Amorf | Een toestand van een stof waarbij de deeltjes geen regelmatige, geordende structuur hebben, in tegenstelling tot een kristallijne toestand. | | Kristalliet | Een klein, onregelmatig gevormd kristal dat deel uitmaakt van een groter polykristallijn materiaal, waarbij de kristallieten tegen elkaar zijn gegroeid. | | Kubisch vlakken gecentreerd rooster (KVR) | Een kristalstructuur waarbij de eenheidscel een kubus is met atomen op elk hoekpunt en in het midden van elk vlak, kenmerkend voor zachte en vervormbare metalen zoals aluminium en koper. | | Hexagonaal rooster (HEX) | Een kristalstructuur gebaseerd op een recht prisma met een zeshoekig grondvlak, met atomen op de hoekpunten, in het centrum van de grond- en bovenvlakken, en drie extra atomen in het midden, typisch voor brozere metalen zoals zink en titanium. | | Kubisch ruimtelijk gecenterd rooster (KRR) | Een kristalstructuur met een minder dichte pakking, waarbij de eenheidscel een kubus is met atomen op elk hoekpunt en één atoom in het midden van de kubus, vaak gevonden in stevige en beperkt vervormbare metalen zoals ijzer. | | Puntfout | Een defect in een kristalrooster op atomair niveau, zoals een vacature (lege plaats), een substitutie-atoom (vreemd atoom op een roosterplaats) of een interstitieel atoom (vreemd of eigen atoom tussen de roosterplaatsen). | | Vacature | Een lege plaats in een kristalrooster waar normaal gesproken een atoom zou moeten zitten, wat leidt tot een puntfout. | | Substitutie-atoom | Een vreemd atoom dat een oorspronkelijk atoom op een roosterplaats in het kristalrooster vervangt, wat resulteert in een puntfout. | | Interstitieel atoom | Een atoom dat zich bevindt in de ruimte tussen de normale roosterplaatsen van een kristal, wat een puntfout veroorzaakt. | | Lijnfout (Dislocatie) | Een defect in het kristalrooster dat zich uitstrekt langs een lijn, zoals een roosterverschuiving, die de mechanische eigenschappen van het metaal beïnvloedt. | | Oppervlaktefout | Een defect in het kristalrooster dat zich uitstrekt over een oppervlak, zoals korrelgrenzen, waar de oriëntatie van de kristalstructuur verandert en verontreinigingen zich kunnen ophopen. | | Polymeerketen | Een lange keten van sterk aan elkaar gebonden koolstofatomen die de ruggengraat van een polymeer vormt, met variërende zijgroepen en mogelijk dubbele bindingen of andere atomen in de hoofdketen. | | Vernetting van de ketens | Het proces waarbij polymeerketens aan elkaar worden gebonden, wat resulteert in verschillende structuren zoals thermoplasten (niet vernet), elastomeren (wijdmazig netwerk) en thermoharders (zeer innig vernet netwerk). | | Thermoplasten | Kunststoffen bestaande uit polymeerketens die niet fysisch aan elkaar gebonden zijn; ze kunnen bij temperatuursverhoging vloeien en worden na afkoeling weer vaster, zijn lasbaar en taai. | | Thermoharders | Kunststoffen met een zeer innig vernet netwerk van ketens die niet kunnen bewegen, zelfs niet bij verwarming; ze zijn hard, niet lasbaar en onoplosbaar. | | Elastomeren | Kunststoffen met een wijdmazig netwerk van lange ketens die slechts hier en daar aan elkaar vastzitten, waardoor ze rubberachtige elasticiteit vertonen. | | Ketenstijfheid | De mate waarin een polymeerketen kan buigen en kronkelen, beïnvloed door ringen in de hoofdketen of grote zijgroepen die de vrije rotatie belemmeren. | | Keteninteractie | De aantrekkingskrachten tussen polymeerketens, die de temperatuursgevoeligheid beïnvloeden; polaire groepen trekken elkaar sterker aan dan apolaire groepen. | | Ketenlengte | De lengte van de polymeerketens, die bepaalt hoeveel vernetting mogelijk is en hoe moeilijk de ketens uit elkaar te halen zijn. | | Ketenregelmaat | De plaatsing van zijgroepen langs de polymeerketen; regelmatige plaatsing bevordert betere stapeling en hogere stijfheid. | | Visco-elasticiteit | Het gedrag van kunststoffen dat zowel vloeistofachtige als elastische eigenschappen vertoont; ze zijn vervormbaar en vertonen kruip onder belasting, maar kunnen ook terugveren. | | Kruip | De geleidelijke toename van vervorming onder mechanische belasting over tijd, doordat steeds meer delen van de polymeerketen losgetrokken worden. | | E-modulus | Een maat voor de stijfheid van een materiaal, die bij kunststoffen aanzienlijk lager is dan bij metalen en sterk afhankelijk is van de temperatuur en de toestand van het polymeer. | | Hardheid | De weerstand die een materiaal biedt aan indringing door een vreemd voorwerp, wat neerkomt op de weerstand tegen plastische vervorming. | | Brinell hardheidsmeting (HB) | Een methode om de hardheid te bepalen door een kogel met een specifieke diameter onder een bepaalde belasting in het metaaloppervlak te drukken en vervolgens de diameter van de gevormde indrukking te meten. De hardheid wordt gedefinieerd als de verhouding van de belasting tot de oppervlakte van de indrukking. | | Vickershardheid (HV) | Een methode waarbij een regelmatige vierzijdige diamanten piramide met een tophoek van 136° wordt gebruikt. De hardheid wordt gedefinieerd als de verhouding van de kracht tot de oppervlakte van de gemaakte indrukking. | | Rockwellhardheid (HR) | Een reeks hardheidsmetingen waarbij verschillende indruklichamen worden gebruikt en de blijvende diepte van de gemaakte indrukking als maat voor de hardheid wordt genomen. De hardheid is omgekeerd evenredig met de indringdiepte. | | Slagvastheid (impact resistance) | De weerstand van een materiaal tegen schokbelasting, gemeten met behulp van een kerfslagproef, die ook een maat is voor de taaiheid. | | Kerfslagproef | Een proef waarbij de arbeid wordt gemeten die nodig is om een ingekerfde proefstaaf te breken met behulp van een slingerhamer. | | Slagarbeid | De arbeid die nodig is om een proefstuk te breken, berekend uit het verschil in potentiële energie van de slingerhamer voor en na de slag. De formule is: $W_{Av} = (h - h')gm$, waarbij $m$ de massa van de slaghamer is en $g$ de valversnelling. | | Kruip (creep) | Langzame, voortdurende vervorming of breuk van een materiaal onder langdurige belasting, zelfs als deze belasting ver onder de treksterkte ligt. Dit fenomeen treedt vooral op bij hogere temperaturen voor metalen en bij kamertemperatuur voor kunststoffen. | | Vermoeiing (fatigue) | Het fenomeen waarbij materialen breken onder voortdurend wisselende spanningen, die kunnen ontstaan door trek, druk, buiging of torsie. Dit kan optreden bij zowel grote spanningen met lage frequentie als lage spanningen met hoge frequentie. | | Vermoeiingsbreuk | Een breuk die ontstaat door voortdurend wisselende spanningen, vaak geïnitieerd door een "kerf" of oppervlaktefout die leidt tot spanningsconcentratie en scheurvorming. | | Vermoeiingsgrens (fatigue strength of endurance limit) | Het spanningsniveau waarbij een materiaal een oneindig lange levensduur heeft onder cyclische belasting, meestal gedefinieerd als het spanningsniveau dat geen breuk veroorzaakt na 10 miljoen cycli. | | Wöhlercurve of S-N-diagram | Een grafiek die het verband weergeeft tussen de cyclische spanning en het aantal cycli tot breuk, gebruikt om de vermoeiingsgrens van een materiaal te bepalen. | | Harden | Een warmtebehandeling die, door middel van fasetransformatie, de hardheid en sterkte van staal aanzienlijk verhoogt, voornamelijk door martensietvorming. | | Austeniet | Een kristallijne structuur van ijzer die ontstaat bij verhitting boven een bepaalde temperatuur, waarin koolstofatomen oplossen en die essentieel is voor het harden van staal. | | Perliet | Een microstructuur die ontstaat bij langzame afkoeling van austeniet, bestaande uit lamellen van ferriet en cementiet, en die minder hard is dan martensiet. | | Afschrikken | Het proces van zeer snel afkoelen van staal, meestal in een vloeistof zoals water, olie of zout, om de kritische afkoelsnelheid te overschrijden en martensietvorming te induceren. | | Kritische afkoelsnelheid | De minimale snelheid waarmee staal moet worden afgekoeld om de vorming van perliet te onderdrukken en martensiet te verkrijgen; deze snelheid is afhankelijk van het koolstofgehalte en de aanwezigheid van legeringselementen. | | Ontlaten (Tempen) | Een warmtebehandeling na het afschrikken, waarbij gehard staal wordt verwarmd tot een temperatuur tussen 150°C en 650°C om de taaiheid te verbeteren en interne spanningen te verminderen, met een variabele afname van de hardheid afhankelijk van de temperatuur. | | TTT-diagram (Transformatie-tijd-temperatuur-diagram) | Een grafische weergave die de tijdsduur toont die nodig is voor de transformatie van austeniet naar andere structuren (zoals perliet of bainiet) bij verschillende temperaturen, en die helpt bij het bepalen van de benodigde afkoelsnelheid voor harden. | | Doorharding | Het vermogen van staal om over de gehele doorsnede te verharden tot martensiet; bij grote doorsneden kan dit beperkt zijn door temperatuurverschillen en het niet bereiken van de kritische afkoelsnelheid in de kern. | | Vervorming | Maat- en vormveranderingen die optreden in staal na het afschrikken, veroorzaakt door inwendige thermische en transformatiespanningen, die kunnen worden geminimaliseerd door zorgvuldige keuze van afschrikmiddelen en afkoelmethoden. | | Oxidevorming | De vorming van een oxidelaag op het oppervlak van staal tijdens het gloeien op hoge temperaturen in aanwezigheid van lucht, wat kan worden voorkomen door het werken in een gecontroleerde atmosfeer of onder vacuüm. | | Gietijzer | Een ijzer-koolstoflegering die theoretisch meer dan 2% koolstof bevat, met in de praktijk meestal tussen 2,5% en 4% koolstof. | | Wit gietijzer (GW) | Een metastabiele vorm van gietijzer waarin de koolstof gebonden is als ijzercarbide (cementiet). Dit type gietijzer ontstaat bij snelle afkoeling en een hoog mangaangehalte, is zeer hard en slijtvast, maar ook bros. | | Grijs gietijzer (GG) | Een stabiele vorm van gietijzer waarin de koolstof aanwezig is als vrije grafietlamellen. Dit type gietijzer ontstaat bij trage afkoeling en een hoog siliciumgehalte, is goed gietbaar en verspaanbaar, heeft een hoge druksterkte en dempt trillingen uitstekend, maar is bros door de grafietlamellen. | | Nodulair gietijzer (GN) | Een type grijs gietijzer waarbij het grafiet, door toevoeging van magnesium, in bolvorm wordt uitgescheiden in plaats van lamellen. Dit resulteert in significant minder materiaalverzwakking en eigenschappen die staal evenaren, met behoud van goede gieteigenschappen. | | Bainitisch nodulair gietijzer (ADI) | Een specifieke variant van nodulair gietijzer die ontwikkeld is vanaf 1980 en verkregen wordt door een warmtebehandeling op nodulair gietijzer. Het combineert hoge taaiheid met goede gieteigenschappen en wordt toegepast voor krachtoverbrengende onderdelen. | | Cementiet | Een ijzercarbide (Fe3C) dat ontstaat in het metastabiele systeem van ijzer-koolstoflegeringen, kenmerkend voor wit gietijzer. | | Grafietlamellen | Vrije koolstofdeeltjes in de vorm van dunne plaatjes die voorkomen in grijs gietijzer. Deze lamellen fungeren als inwendige kerven en verzwakken het materiaal, wat leidt tot brosheid. | | Grafietbolletjes | Vrije koolstofdeeltjes in bolvorm die voorkomen in nodulair gietijzer. Deze vorm veroorzaakt minder materiaalverzwakking dan grafietlamellen, wat resulteert in verbeterde mechanische eigenschappen. | | Afkoelsnelheid | De snelheid waarmee een gesmolten metaal afkoelt tijdens het stollingsproces. Een langzame afkoelsnelheid bevordert de vorming van grafiet (grijs gietijzer), terwijl een snelle afkoelsnelheid de vorming van ijzercarbiden (wit gietijzer) bevordert. | | Hardeschilgietijzer | Een type gietijzer waarbij de buitenste laag, die het snelst afkoelt, wit stolt en zeer hard wordt, terwijl de kern grijs stolt en taai blijft. Dit resulteert in een product met een harde buitenlaag en een taaiere kern. | | Precipitatieversteviging | Een proces waarbij legeringselementen in een metaalmatrix neerslaan in de vorm van fijne deeltjes (precipitaten). Deze precipitaten belemmeren de beweging van dislocaties, wat leidt tot een aanzienlijke verbetering van de mechanische eigenschappen zoals treksterkte en hardheid. | | Chemische eigenschappen | Deze eigenschappen zijn gerelateerd aan de chemische samenstelling van een materiaal en de atomaire structuur, zoals de weerstand tegen corrosie. | | Fysische eigenschappen | Deze eigenschappen beschrijven hoe een materiaal reageert op verschillende vormen van energie, waaronder de dichtheid, die de massa per volume-eenheid aangeeft. | | Dichtheid (density) | De dichtheid van een materiaal is de massa van die stof per volume-eenheid. Het is een relatieve eenheid en dus onafhankelijk van het gebruikte eenheidstelsel. | | Mechanische eigenschappen | Deze eigenschappen beschrijven het gedrag van een materiaal wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend, zoals sterkte, stijfheid en taaiheid. | | Trekproef (tensile testing) | Een beproeving waarbij een genormaliseerde proefstaaf met een voorgeschreven snelheid wordt uitgetrokken totdat deze breekt, om de mechanische eigenschappen te bepalen. | | Treksterkte (tensile strength) | De weerstand per oppervlakte-eenheid die een materiaal biedt tegen stuktrekken; een maat voor hoe sterk een materiaal is. | | Meetlengte L0 | De oorspronkelijke lengte van het deel van de proefstaaf dat wordt gemeten tijdens een trekproef, aangegeven met twee puntjes of streepjes. | | Spanning (stress) | De belasting die wordt betrokken op de oorspronkelijke doorsnede van de proefstaaf, loodrecht op de aangelegde kracht, uitgedrukt in N/mm². De formule is $\sigma = \frac{F}{S_0}$. | | Rek (strain) | De relatieve verlenging van de proefstaaf tijdens een trekproef, uitgedrukt in procenten. De formule is $\epsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \times 100\%$. | | Elastische rek | De rek die optreedt wanneer een materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de belasting wordt verwijderd. | | Plastische rek | De vervorming die optreedt wanneer een materiaal permanent van vorm verandert en niet terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm nadat de belasting is verwijderd. | | Elasticiteitsgrens (Yield strength) | De spanning waarbij een materiaal begint plastisch te vervormen; de spanning waarbij de rek niet meer verdwijnt na het wegnemen van de belasting. | | Legering | Een legering is een fysisch mengsel van twee of meer elementen, waarbij de eigenschappen van de componenten worden verbeterd door toevoeging van andere elementen. De basisbestanddelen van een legering worden componenten genoemd. | | Componenten | De basisbestanddelen van een legering, die zowel metalen als niet-metalen kunnen zijn. Voorbeelden zijn ijzer en koolstof in staal. | | Fase | Een op zichzelf staand, homogeen structuurbestanddeel binnen een legering dat gescheiden is van andere fasen door grensvlakken. Fasen zijn dus zichtbare structuurbestanddelen. | | Toestandsdiagram | Een diagram, ook wel fasendiagram of evenwichtsdiagram genoemd, dat aangeeft welke toestanden of fasen er in een legering optreden in functie van de samenstelling en de temperatuur. | | Liquiduslijn | De lijn in een toestandsdiagram die de punten verbindt waarbij het smelten van een legering beëindigd is. Boven deze lijn is het systeem volledig vloeibaar (smelt). | | Soliduslijn | De lijn in een toestandsdiagram die de punten verbindt waar het smelten van een legering begint. Onder deze lijn is het systeem volledig vast. | | Mengkristallen | Kristallen die in een legering ontstaan wanneer de componenten in vaste toestand in elkaar oplosbaar zijn en samen één kristalrooster vormen. | | Eutectisch punt | Een specifiek punt in een toestandsdiagram van een type 1 legering waar de liquiduslijn en de soliduslijn elkaar raken. Een legering met deze samenstelling heeft één smeltpunt en geen smelt- of stollingstraject. | | Eutecticum | De legering die bij het eutectische punt ontstaat. Dit is een fijnkorrelig mengsel van twee kristalsoorten met het laagste smeltpunt voor die specifieke legeringssamenstelling. | | α-ijzer | Een kristalvorm van ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, aanwezig bij lagere temperaturen. Het heeft een beperkt oplossend vermogen voor koolstof. | | γ-ijzer | Een kristalvorm van ijzer met een kubisch vlakkengecentreerd rooster, aanwezig bij hogere temperaturen. Dit rooster kan meer koolstof oplossen dan α-ijzer. | | Ferriet | De benaming voor α-ijzer in de context van het ijzer-koolstofdiagram. Het is een zachte, taaie fase met een laag oplossend vermogen voor koolstof. | | Magnesiumlegeringen | Legeringen gebaseerd op magnesium, bekend om hun lage dichtheid en hoge specifieke sterkte na legering. Ze vereisen bescherming tegen corrosie en zijn brandbaar in fijnverdeelde toestand. | | Titaan | Een licht metaal dat door legering en warmtebehandeling zeer sterk kan worden. Het heeft een dichtheid tussen die van aluminium en staal en wordt gebruikt vanwege zijn sterkte bij hoge temperaturen en bestendigheid in zeewater. | | Koperlegeringen | Legeringen op basis van koper, gekenmerkt door relatieve sterkte, een dichtheid vergelijkbaar met staal, en lagere hardheid. Ze worden gewaardeerd om hun hoge geleidbaarheid en uitstekende corrosie- en vermoeiingsweerstand. | | Brons | Een koperlegering waarbij tin het voornaamste legeringselement is. Tegenwoordig wordt de term ook gebruikt voor koperlegeringen met andere legeringselementen, zoals Cu-Al-brons en CuSi-brons. | | Messing | Een legering van koper en zink (Cu-Zn-legering). | | Superlegeringen | Een groep materialen die ontworpen zijn voor hoge temperaturen en hoge prestaties, gebruikt bij temperaturen boven 538°C. Ze zijn essentieel voor toepassingen zoals gasturbinemotoren vanwege hun weerstand tegen kruip, oxidatie en vermoeiing. | | Oxidatieweerstand (Oxidation Resistance) | Het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan aantasting door oxidatie bij hoge temperaturen, waarbij de vorming van een hechtende oxidehuid essentieel is om materiaalverlies te voorkomen. | | Precipitatieharden | Een warmtebehandelingstechniek die wordt gebruikt om de sterkte van legeringen te verhogen door de vorming van fijne precipitaten binnen de metaalmatrix. Dit proces wordt toegepast om optimale mechanische eigenschappen te verkrijgen in titaanlegeringen. | | AZ91 | Een veelgebruikte magnesiumlegering die 9% aluminium, 1% zink en 0,2% mangaan bevat. Het is een kosteneffectieve legering, maar beperkt in gebruik tot temperaturen onder 120°C. | | Ti 6Al4V | Een veelvoorkomende titaanlegering die bestaat uit titaan, 6% aluminium en 4% vanadium. Deze legering wordt gewaardeerd om zijn sterkte en wordt gebruikt in veeleisende toepassingen. | | Corrosie | Een destructieve aantasting van een metaal als gevolg van een reactie met zijn omgeving, meestal een elektrochemisch proces gebaseerd op redoxreacties. | | Potentiaalopbouw | Het proces waarbij een metaal in een oplossing spontaan een elektrische lading opbouwt, die afhangt van het metaalsoort, de samenstelling van de oplossing en de temperatuur. | | Normpotentiaal ($E^\circ$) | De lading van een metaalstaaf gemeten onder normomstandigheden: een temperatuur van 298 K (25°C), een oplossing van 1 mol/l van de eigen ionen, en een druk van 101325 Pa voor gassen. | | Referentiepotentiaal | Een conventioneel gekozen redoxkoppel, meestal het waterstofsysteem ($2H^+ + 2e^- \leftrightarrow H_2$), dat onder normomstandigheden een normpotentiaal van 0,000V krijgt toegewezen, waartegen andere potentialen worden gemeten. | | Spanningsreeks (Verdringingsreeks) | Een rangschikking van metalen op basis van hun toenemende potentiaal, die aangeeft hoe gemakkelijk een metaal elektronen kan afstaan en dus hoe sterk het als reductor fungeert. | | Galvanische corrosie | Een corrosievorm die ontstaat wanneer twee metalen met een verschillende edelheid metallisch en elektrolytisch met elkaar verbonden zijn, waarbij het minst edele metaal (de anode) versneld corrodeert. | | Anodische bescherming | Een methode waarbij men gebruik maakt van passivatie om metalen, zoals aluminium en zijn legeringen, te beschermen tegen corrosie door ze anodisch te schakelen in een zuurbad, waardoor een extra dikke oxidelaag ontstaat. | | Charpy kerfslagwaarde | Een maat voor de taaiheid van een materiaal, bepaald door de hoeveelheid energie die nodig is om een proefstuk met een inkeping te breken met behulp van een slingerhamer. | | Ferrometalen | Metalen die ijzer bevatten en magnetisch zijn, zoals staal en gietijzer, en die vaak kenmerkende roest vertonen. | | Geleidbaarheid | Een maat voor hoe goed een materiaal elektrische stroom kan geleiden, uitgedrukt in Siemens (S). | | Insnoering | De relatieve afname van de dwarsdoorsnede van een proefstaaf op de plaats van breuk tijdens een trekproef, wat een indicatie is van de vervormbaarheid van het materiaal. | | Atoom | De kleinste fundamentele deeltjes waaruit materie is opgebouwd, bestaande uit een kern met protonen en neutronen, en daaromheen bewegende elektronen in elektronenwolken. | | Kern | Het centrale deel van een atoom dat protonen (positief geladen) en neutronen (neutraal) bevat. | | Proton | Een positief geladen deeltje dat zich in de kern van een atoom bevindt. | | Neutron | Een neutraal deeltje (zonder lading) dat zich in de kern van een atoom bevindt. | | Elektron | Een negatief geladen deeltje dat rond de kern van een atoom beweegt in zogenaamde elektronenwolken. | | Elektronenwolk | Het gebied rond de kern van een atoom waar elektronen zich met een bepaalde waarschijnlijkheid bevinden. | | Massagetal (A) | De som van het aantal protonen en neutronen in de kern van een atoom. | | Atoomnummer (Z) | Het aantal protonen in de kern van een atoom, wat de identiteit van het element bepaalt. | | Isotopen | Atomen van hetzelfde element die een verschillend aantal neutronen hebben, maar wel hetzelfde aantal protonen. | | Elektronenverdeling | De manier waarop elektronen zich organiseren rond de atoomkern, volgens specifieke energieniveaus. | | Energieniveaus | Specifieke energietoestanden die elektronen in een atoom kunnen bezetten. | | Elektronenschillen | De verschillende energieniveaus rond de atoomkern waar elektronen zich bevinden. | | Koudvervormbaarheid | Het vermogen van staal om bij kamertemperatuur vervormd te worden. Deze eigenschap neemt af met toenemend koolstofgehalte door de aanwezigheid van hard en bros cementiet. | | Warmvervormbaarheid | Het vermogen van staal om bij verhoogde temperaturen (zoals bij smeden) vervormd te worden. Dit is bij staal met minder dan 0,8% koolstof altijd goed mogelijk. | | Hardbaarheid | Het vermogen van staal om door middel van een warmtebehandeling (harden) een verhoogde hardheid te verkrijgen. Hiervoor is minimaal 0,3% koolstof nodig. | | Verspaanbaarheid | Het gemak waarmee staal bewerkt kan worden met snijgereedschappen. Bij stijgend koolstofgehalte wordt de verspaanbaarheid over het algemeen slechter. | | Constructiestaal | Een type ongelegeerd staal met een laag koolstofgehalte (tot 0,3% C), dat taai, goed vervormbaar en lasbaar is, maar een lage sterkte en hardheid heeft. | | Machinebouwstaal | Een type ongelegeerd staal met een koolstofgehalte tussen 0,3% en 0,6%. Dit staal is ideaal om te verspanen, is hardbaar en veredelbaar, maar minder gemakkelijk te lassen. | | Gereedschapsstaal | Een type ongelegeerd staal met koolstofgehaltes boven de 0,6%. Dit staal is moeilijk te bewerken, maar heeft een grote hardheid en sterkte en kan zeer goed gehard en veredeld worden. | | Normaalgloeien | Een warmtebehandeling die tot doel heeft staal zijn oorspronkelijke, fijnkorrelige structuur terug te geven, waardoor de oorspronkelijke treksterkte en rek worden hersteld. | | 0.2% rekgrens (σ0.2) | Een gebruikte grensspanning bij metalen waar de elasticiteitsgrens niet eenduidig bepaald kan worden; het is de spanning waarbij de proefstaaf een blijvende rek van 0.2% heeft na het wegnemen van de belasting. | | Vloeigrens (Yield strength) | De spanning waarbij een materiaal bij het begin van plastische vervorming plotseling een duidelijke, blijvende rek geeft bij een ongeveer constante belasting. | | Elasticiteitsmodulus (E) (Young’s modulus) | Een maat voor de stijfheid van een materiaal, gegeven door de helling van de spannings-rek kromme in het elastische gebied; een hogere E-modulus betekent een stijver materiaal. | | Breukrek (A10) (elongation at rupture) | De totale rek die een materiaal ondergaat tot aan het moment van breuk, gemeten na het aan elkaar passen van de gebroken delen; een maat voor de taaiheid en vervormbaarheid. | | Insnoering (Z) (contration of necking) | Een maat voor de vervormbaarheid van een materiaal, berekend als het percentage verschil tussen de oorspronkelijke dwarsdoorsnede en de dwarsdoorsnede op de plaats van breuk. |