Engineering General
Cover
1Materiaalkunde_CURSUS.pdf
Summary
# Indeling en algemene eigenschappen van materialen
Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de verschillende materiaalklassen, waaronder metalen, keramische materialen, polymeren en composieten, met een bespreking van hun algemene kenmerken en toepassingen.
### 1.1 Indeling van de materialen
Materialen kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld. Een veelgebruikte indeling omvat de volgende categorieën [2](#page=2):
* Metalen
* Keramische materialen
* Polymeren
* Composieten
* Halfgeleiders
* Biomaterialen
* Vloeibare kristallen
* Smart materials (slimme materialen)
De onderliggende atomaire structuur en chemische reacties, zoals te vinden in het Periodiek Systeem der Elementen, vormen de basis van de materiaalkunde, maar vallen buiten het bestek van deze cursus [2](#page=2).
#### 1.1.1 Metalen en legeringen
De algemene eigenschappen van metalen en legeringen worden niet gedetailleerd beschreven op de opgegeven pagina's, maar dit is een belangrijke materiaalklasse [3](#page=3).
#### 1.1.2 Keramische materialen
Keramische materialen worden gedefinieerd als verbindingen van metalen met niet-metalen [3](#page=3).
* **Samenstelling:** De niet-metalen in deze verbindingen zijn doorgaans elementen zoals silicium (Si), zuurstof (O), stikstof (N), koolstof (C) of boor (B), resulterend in materialen zoals silicaten, oxiden, nitriden, carbiden en boriden [3](#page=3).
* **Productie:** Keramische materialen worden vaak verkregen door het sinteren (bakken) van poederdeeltjes [3](#page=3).
* **Eigenschappen:**
* Ze zijn erg hard, tot wel 2,5 keer harder dan staal [3](#page=3).
* Ze zijn bros [3](#page=3).
* Ze kunnen 4 tot 10 keer meer druklast dan treklast aan [3](#page=3).
* Ze zijn elektrisch isolerend [3](#page=3).
* Ze zijn chemisch inert [3](#page=3).
* Ze zijn bestand tegen hoge temperaturen [3](#page=3).
* **Voorbeelden:** Zand, klei, natuursteen, graniet, diamant, aardewerk, porselein, glas, kristal en baksteen vallen onder deze categorie [3](#page=3).
* **Toepassingen:** Keramische materialen vinden toepassing in verschillende gebieden.
* **Lagers:** Keramische lagers, hoewel duurder, vereisen minder onderhoud en leiden tot minder stilstand.
* Glijlagers [4](#page=4).
* Vol-keramische lagers, vervaardigd uit siliciumnitride ($Si_3N_4$) of zirkoniumoxide ($ZrO_2$) [4](#page=4).
* Hybride keramische lagers met RVS lagerschalen en siliciumnitride kogels. Bij koersfietsen kunnen deze tot 10 Watt winst opleveren ten opzichte van stalen lagers [4](#page=4).
* Andere toepassingen worden op de pagina's genoemd, maar niet gespecificeerd [4](#page=4).
#### 1.1.3 Polymeren
Polymeren, ook bekend als kunststoffen, worden onderverdeeld in drie hoofdsoorten [4](#page=4).
##### 1.1.3.1 Thermoplasten
* **Kenmerken:** Dit zijn smeltbare polymeren die in een vorm gegoten kunnen worden. Ze bestaan doorgaans uit onvertakte of licht vertakte ketens van een of meer soorten monomeren. De molecuulketens kunnen langs elkaar schuiven wanneer de vanderwaalskracht tussen de moleculen overwonnen wordt [4](#page=4).
* **Verwerking:** Thermoplasten worden vaak in de juiste vorm gebracht door ze te smelten en in een mal te spuiten (spuitgietmatrijzen) [4](#page=4).
* **Recyclage:** Vanwege hun smeltbare aard zijn thermoplasten goed te recycleren. Het opwarmen van thermoplasten is een reversibel proces [4](#page=4).
* **Voorbeelden en toepassingen:** Deze worden genoemd, maar niet gespecificeerd op de pagina's [5](#page=5).
##### 1.1.3.2 Thermoharders
* **Kenmerken:** Bij thermoharders zijn de ketens onderling verbonden, vaak door toevoeging van een crosslinker. Dit resulteert in een netwerkpolymeer dat vaak ontleedt voordat het smelt. Het vormen van het polymeer gebeurt als één groot molecuul [5](#page=5).
* **Verwerking:** Het productieproces is complexer dan bij thermoplasten, bijvoorbeeld door componenten in een mal te brengen waar ze reageren [5](#page=5).
* **Recyclage:** Thermoharders zijn moeilijk te recycleren omdat ze niet opnieuw gesmolten kunnen worden [5](#page=5).
* **Voorbeelden en toepassingen:** Deze worden genoemd, maar niet gespecificeerd op de pagina's [5](#page=5).
##### 1.1.3.3 Elastomeren
* **Kenmerken:** Elastomeren bevatten weinig crosslinks, waardoor er enige beweging tussen de moleculen mogelijk is. Wanneer de uitwendige kracht wegvalt, nemen de moleculen hun oorspronkelijke vorm weer aan; het materiaal is elastisch. Gevulkaniseerd rubber is een prominent voorbeeld, waarbij zwavelbruggen tussen de polymeren de vloeibaarheid verminderen en het materiaal elastisch maken [5](#page=5).
* **Vulkanisatie:** Dit proces, waarbij zwavelbruggen worden aangebracht, zorgt ervoor dat het rubber minder of niet meer vloeibaar wordt. De zwavelverbindingen rekken mee onder invloed van een externe kracht en keren terug naar hun oorspronkelijke positie wanneer de kracht verdwijnt [5](#page=5).
* **Voorbeelden en toepassingen:** Deze worden genoemd, maar niet gespecificeerd op de pagina's [5](#page=5).
#### 1.1.4 Composieten
Een composiet is een materiaal dat is samengesteld uit meerdere componenten [6](#page=6).
* **Samenstelling:** Vaak worden hiermee vezelversterkte kunststoffen bedoeld. De vezels dragen trekkrachten over, terwijl de matrix (meestal een kunststof) de vezels bij elkaar houdt en drukkrachten en schuifspanningen overbrengt [6](#page=6).
* **Vezels:** Bekende vezels die in composieten worden gebruikt zijn glasvezel, aramide (twaron en kevlar), koolstofvezel en recent ook nanotubes. Natuurlijke vezels zoals vlas of hennep worden eveneens toegepast [6](#page=6).
* **Toepassingen:** Toepassingen worden genoemd, maar niet gespecificeerd op de pagina's [6](#page=6).
#### 1.1.5 Halfgeleiders
* **Gedrag:** Halfgeleiders geleiden elektrische stroom onder bepaalde omstandigheden [6](#page=6).
* **Toepassingen:** Ze worden gebruikt in elektronica, computers en zonnecellen [6](#page=6).
#### 1.1.6 Biomaterialen
Biomaterialen worden gebruikt voor implantaten in het menselijk lichaam ter vervanging van zieke of beschadigde lichaamsdelen. Dit is geen aparte materiaalklasse op zich, maar betreft speciale aandacht voor de interacties tussen het materiaal en het menselijk lichaam [7](#page=7).
#### 1.1.7 Vloeibare kristallen
* **Kenmerken:** Vloeibare kristallen omvatten colloïden en gels. Ze vervormen en vloeien als een vloeistof. Hun optische eigenschappen zijn gemakkelijk te beïnvloeden door het aanleggen van een elektrische spanning [7](#page=7).
* **Toepassingen:** Ze worden veelvuldig toegepast in beeldschermen (LCD) [7](#page=7).
#### 1.1.8 Smart materials
Smart materials, of slimme materialen, vertonen grote veranderingen in hun vorm als reactie op externe invloeden, zoals vochtigheid of temperatuur. Nitinol is een voorbeeld van een smart material [7](#page=7).
---
# Mechanische eigenschappen en materiaalfalen
Dit hoofdstuk behandelt de mechanische eigenschappen van materialen en de verschillende manieren waarop ze kunnen falen, met een focus op de trekproef, kerfslagproef, metaalmoeheid, resonantie en breukmechanismen.
### 2.1 De trekproef
Hoewel constructies zoals vliegtuigen en treinstellen ruim worden gedimensioneerd en nauwgezet worden opgevolgd tijdens de fabricatie, kunnen onderdelen toch falen, soms zonder dat de maximum breukspanning is overschreden. Dit falen wordt vaak voorafgegaan door haarscheurtjes die op het oppervlak van de onderdelen kunnen worden vastgesteld. Bij gesimuleerde proeven blijkt dat onderdelen haarscheurtjes gaan vertonen na een groot aantal belastingen, zelfs bij spanningen ver beneden de toelaatbare spanning. Periodiek optredende trek-, buigings- of wringspanningen met een sinusoïdaal verloop kunnen al tot haarscheurtjes leiden [10](#page=10) [9](#page=9).
### 2.2 De kerfslagproef
De kerfslagproef wordt gebruikt om de weerstand van materialen tegen kortstondige of slagbelastingen, met name bij lage temperaturen, te bepalen. Dit is van belang voor situaties zoals het rijden over een obstakel met hoge snelheid of voor componenten in diepvriescentrales. De proef simuleert kerfwerking door een zware slinger van een bepaalde hoogte op een genormaliseerde proefstaaf met een kerf te laten vallen. De benodigde arbeid om de proefstaaf te breken, gedeeld door de normaal doorsnede van de proefstaaf, is de kerfslagwaarde [15](#page=15).
* **Taai materiaal:** Hoge slagarbeid en kerfslagwaarde [16](#page=16).
* **Broos materiaal:** Kleine arbeid en kerfslagwaarde [16](#page=16).
Een ruw breukoppervlak duidt op een grove structuur en een kleine kerfslagwaarde, terwijl een fijne structuur een hoge kerfslagwaarde geeft. Lage temperaturen hebben een aanzienlijke invloed op de kerfslagwaarde; bij -20°C kan de weerstand al snel gehalveerd zijn [16](#page=16).
**Voorbeeld van kerfslagwaarden:**
Een tabel met kerfslagwaarden voor A420 toont een aanzienlijke daling bij lagere temperaturen [16](#page=16).
| Temperatuur (°C) | Kerfslagwaarde (Nm/cm²) |
| :--------------- | :---------------------- |
| 70 | 200 |
| 50 | 200 |
| 20 | 160 |
| 0 | 135 |
| -30 | 20 |
| -60 | 6 |
### 2.3 Hardheidsmetingen
De tekst verwijst naar hardheidsmetingen in de context van het voorkomen van breuk, maar er wordt geen verdere uitleg gegeven over de methodiek of interpretatie [9](#page=9).
### 2.4 Metaalmoeheid of vermoeiing
Metaalmoeheid, of vermoeiing, is een fenomeen waarbij materialen falen onder cyclische belastingen die aanzienlijk lager zijn dan de treksterkte. Dit falen wordt vaak voorafgegaan door de vorming van haarscheurtjes. Deze scheurtjes beginnen vaak op plaatsen met spanningsconcentraties, veroorzaakt door een slecht ontwerp (bv. scherpe hoeken, spiebanen, diameterovergangen), slechte harding of schade [10](#page=10) [9](#page=9).
Gevaarlijke belastingen zijn wissel-, sprong- of zwevende spanningen [10](#page=10).
* **Wisselspanning:** Sinusoïdaal verloop van positieve naar negatieve waarde [10](#page=10).
* **Sprongspanning:** Sinusoïdaal verloop naar een maximum tot nul [10](#page=10).
* **Zwevende spanning:** Oscillerend rond een constante waarde [10](#page=10).
De vermoeiingsbreuk ontstaat aan het oppervlak waar kristallen plaatselijk kleine plastische vervormingen ondergaan door de spanningen. Dit uit- of instulpen aan de kristalgrenzen veroorzaakt kerfwerking en kan leiden tot haarscheurtjes. Eens haarscheurtjes zijn gevormd, breiden deze zich radiaal uit. Door het wrijven van de gescheurde kristallen ontstaan er rustlijnen in het breukvlak. Uiteindelijk verkleint de resterende oppervlakte die de kracht kan opnemen, wat leidt tot een breuk [11](#page=11) [12](#page=12).
Een vermoeiingskromme, ook wel Wöhlerkromme genoemd, wordt gebruikt om de vermoeiingsweerstand van een materiaal te bepalen. Hierbij worden belastingscycli op een logaritmische schaal uitgezet tegen de spanning. Voor staal bestaat er een verband tussen de vermoeiingssterkte en de treksterkte: de vermoeiingsgrens ligt typisch tussen 0.35 en 0.65 maal de treksterkte. Non-ferrometalen vertonen doorgaans een blijvend dalend effect in spanningsweerstand [10](#page=10) [12](#page=12).
**Tip:** Een grofkorrelige structuur is gevoeliger voor vermoeiing dan een fijnkorrelig staal. Wees voorzichtig bij het harden van onderdelen, aangezien dit spanningen kan veroorzaken [12](#page=12).
### 2.5 Resonantieverschijnsel
Resonantie treedt op wanneer een belastingsimpuls in resonantie komt met de natuurlijke frequentie van een constructie, wat leidt tot een snelle toename van de doorbuiging en spanning. Dit kan optreden wanneer een kleine externe kracht steeds op het juiste moment inwerkt om de bestaande trillingen te versterken. Het gevolg is dat de toelaatbare spanning van het materiaal wordt overschreden, wat uiteindelijk tot breuk leidt [13](#page=13).
**Voorbeeld van resonantie:** Een balk op twee steunpunten krijgt een kleine puntkracht F, die een elastische doorbuiging z veroorzaakt. Als op het moment dat de balk terugveert en natrilt, steeds weer dezelfde kracht inwerkt, zal de doorbuiging toenemen bij elke cyclus [13](#page=13).
> **Tip:** Trillingen en belastingen mogen niet in resonantie treden om catastrofaal falen te voorkomen [13](#page=13).
### 2.6 Kerfwerking en breukmechanismen
Kerfwerking ontstaat door spanningsconcentraties in het materiaal, vaak veroorzaakt door geometrische kenmerken zoals scherpe hoeken, diameterovergangen of spaanloos gerolde schroefdraad. Bij gesneden schroefdraad worden de vezels onderbroken, wat de schroefdraadgronden kerfgevoelig maakt. Het is daarom beter om bouten te gebruiken waarbij het boutlichaam slechts een gedeelte schroefdraad heeft en om spaanloos gerolde schroefdraad te verkiezen boven gesneden schroefdraad. Diameterovergangen moeten gelijkmatig zijn met voldoende afronding om kerfwerking te voorkomen [10](#page=10) [14](#page=14).
Ondanks goede ontwerpkeuzes kan een onderdeel toch breken bij kortstondige of slagbelastingen, vooral bij koude temperaturen. Dit duidt op een overgang van taai naar bros breukgedrag [15](#page=15).
Het breukvlak kan informatie verschaffen over het faalmechanisme. Blinkende vlakjes kunnen duiden op metaalmoeheid, waarbij de scheur geleidelijk is gegroeid. Schelpvormige lijnen of rustlijnen op het breukvlak wijzen op variaties in de belasting tijdens het scheurvormingsproces. Een grove structuur op het breukoppervlak impliceert een lage kerfslagwaarde en bros gedrag [11](#page=11) [16](#page=16).
#### 2.6.1 Breukmechanismen
Het document beschrijft impliciet twee hoofdtypen breukmechanismen:
1. **Vermoeiingsbreuk:** Ontstaat door cyclische belastingen, gekenmerkt door de vorming en groei van haarscheurtjes [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9).
2. **Geweldbreuk/Bros breuk:** Treedt op bij kortstondige of slagbelastingen, vaak verergerd door lage temperaturen. Hierbij wordt de resterende doorsnede plotseling van elkaar gerukt. De kerfslagwaarde is een indicator voor dit type breukgedrag [12](#page=12) [15](#page=15) [16](#page=16).
#### 2.6.2 Kerfslagwaarde
De kerfslagwaarde, bepaald met een Charpy-test, is een maat voor de taaiheid van een materiaal onder slagbelasting. Een hoge kerfslagwaarde duidt op een taai materiaal, terwijl een lage waarde wijst op broosheid. Temperatuur heeft een significante invloed, waarbij lage temperaturen de kerfslagwaarde drastisch verminderen [15](#page=15) [16](#page=16).
$$ \text{Kerfslagwaarde} = \frac{\text{Slagarbeid}}{\text{Normaal doorsnede}} $$
---
# Staalproductie en -verwerking
Staalproductie omvat de omzetting van ijzererts naar ruwijzer in de hoogoven, gevolgd door de verdere zuivering en legering in verschillende convertoren, en eindigt met het vormen van het staal via walsen [17](#page=17).
### 3.1 Ruwijzerbereiding
IJzer wordt bereid uit ijzerhoudende ertsen, die voornamelijk uit ijzeroxides bestaan, maar ook andere onzuiverheden bevatten zoals fosfor (P), zwavel (S) en andere elementen. Ter plaatse worden de ertsen gebroken, gewassen, gezeefd en geroost om grote onzuiverheden te verwijderen en de massa poreus te maken voor een betere luchtdoorlatendheid. De primaire chemische zuivering vindt plaats in een hoogoven, waarbij cokes als reductor dient. De cokes moet bestand zijn tegen samendrukking, poreus zijn, weinig as- en sintelvorming veroorzaken en een hoge verbrandingswarmte hebben. De hoogoven wordt gevuld met erts en cokes en doorgeblazen met verhitte lucht. Om zure asdeeltjes en zand te binden, wordt basische toeslag zoals kalksteen of dolomiet toegevoegd, wat samen met de onzuiverheden de slak vormt. Deze slak, met een lagere soortelijke massa, drijft boven het vloeibare ruwijzer en kan gemakkelijk worden verwijderd [17](#page=17).
#### 3.1.1 Analyse reductieproces
In de hoogoven wordt het proces continu uitgevoerd waarbij afwisselend erts en cokes worden toegevoegd. Verhitte lucht wordt aan de zijkanten ingeblazen, wat zorgt voor een overvloed aan zuurstof (O) en koolstof (C) voor de reductie. Bij hoge temperaturen (1000 tot 2000°C) verzwakt de Fe-O-verbinding. Vrij koolstofatoom bindt zich met zuurstof tot kooldioxide [18](#page=18):
$O_2 + C = CO_2$ [18](#page=18).
Indien er nog koolstof aanwezig is, onttrekt dit een zuurstofatoom aan kooldioxide, wat koolmonoxide vormt:
$CO_2 + C = 2CO$ [18](#page=18).
Dit koolmonoxide draagt bij aan de reductie van het ijzererts door een zuurstofatoom aan het ijzeroxide te onttrekken:
$FeO + CO = CO_2 + FE$ [18](#page=18).
$3Fe + 2CO = Fe_2 + CO_2$ [18](#page=18).
Om maximale zuurstofonttrekking te garanderen, wordt het ruwijzer gekoold, waarbij enkele ijzeratomen zich verbinden met koolstof tot $Fe_3C$. Bovenaan ontsnappen gassen zoals $N_2$, $CO$ en $CO_2$, terwijl onderaan gekoold ruwijzer ($Fe_3C$) wordt verkregen. Dit is nog geen staal, maar ruwijzer [18](#page=18).
#### 3.1.2 Hoogovenproducten
Afhankelijk van de snelheid en temperatuur van het hoogovenproces worden twee soorten ruwijzer verkregen:
* **Wit ruwijzer:** Wordt bekomen bij een snel proces op relatief lage temperatuur van ongeveer 1500°C. De koolstof blijft gebonden, wat resulteert in een wit breukoppervlak. Het heeft een hoog mangaangehalte en een laag siliciumgehalte en dient als basis voor staalbereiding [19](#page=19).
* **Grijs ruwijzer:** Wordt bekomen bij een langzaam proces op een relatief hoge temperatuur van meer dan 1500°C. De koolstof kan zich vrijmaken, wat resulteert in een grijs breukoppervlak. Het heeft een laag mangaangehalte en een hoog siliciumgehalte en dient als basis voor gietijzerbereiding [19](#page=19).
Voor de productie van hooggelegeerde staalsoorten kunnen reeds legeringselementen worden toegevoegd tijdens dit proces [19](#page=19).
### 3.2 Staalbereiding
Ruwijzer bevat ongeveer 4% koolstof en te hoge gehaltes aan P, S, Si en/of Mn. Deze moeten verlaagd worden tot minder dan 1.7% voor staal en minder dan 4% voor gietijzer. Dit gebeurt in twee stappen: affinage en raffinage [20](#page=20).
#### 3.2.1 Proces staalbereiding
* **Affinage:** Aan de smelt wordt zuurstof toegevoegd. De zuurstof reageert eerst met ijzer tot ijzeroxide ($FeO$), dat zich oplost in de smelt en reageert met P, S, C, Si en Mn, waarbij de onzuiverheden worden geoxideerd en als slak of gas ontsnappen [20](#page=20).
$2FeO + Si = 2Fe + SiO_2$ [20](#page=20).
$FeO + Mn = Fe + MnO$ [20](#page=20).
$Fe + C = Fe + CO$ [20](#page=20).
$2FeO + S = 2Fe + SO_2$ [20](#page=20).
$5FeO + 2P = Fe + P_2O_5$ [20](#page=20).
* **Raffinage:** Het resterende $FeO$ moet uit de smelt worden gehaald en het koolstofgehalte wordt op de gewenste waarde gebracht door toevoeging van ferro mangaan en/of ferrosilicium. Dit proces gebeurt in een convertor [20](#page=20).
De staalbereiding wordt voornamelijk uitgevoerd in een oxistaalconvertor (LD-convertor), een Siemens-Martinoven en/of een elektrooven [20](#page=20).
* **Oxistaalconvertor (LD-convertor):** De smelt wordt doorgeblazen met zuivere zuurstof. Door de afwezigheid van stikstof worden hoogwaardige staalsoorten met een goede dieptrekkwaliteit verkregen. Dit proces maakt ook het verwerken van schroot mogelijk [21](#page=21).
* **Siemens-Martinoven:** Een voorverwarmd gas met voorverwarmde lucht verbrandt boven de lading, wat temperaturen tot 1700°C bereikt. Dit proces kan gestold ruwijzer en grote hoeveelheden schroot verwerken. Het is een rustig proces dat controle van de samenstelling mogelijk maakt en een homogeen staal oplevert [21](#page=21).
* **Elektro-oven:** De hitte wordt elektrisch opgewekt, wat nauwkeurige controle over de ovenatmosfeer en temperatuur toelaat. Schroot wordt toegevoegd, wat het affinageproces ondersteunt. Dit levert een zeer homogeen staal op en wordt voornamelijk gebruikt voor hooggelegeerde speciale staalsoorten vanwege de hoge energiekosten [21](#page=21).
Het gezuiverde staal wordt gegoten in gietvormen (coquilles) om grote stalen blokken of ingots te verkrijgen. Deze worden vervolgens opgewarmd en uitgewalst tot halffabrikaten zoals platen en profielen [22](#page=22).
Om de opwarming van stalen blokken te vermijden, wordt tegenwoordig vaak gebruik gemaakt van continu gieten, waarbij het staal direct tot gewenste vormen wordt uitgewalst in één bewerkingsstraat [22](#page=22).
### 3.3 Gekalmeerd staal
Tijdens de stollingsfase kan $CO$-gas vrijkomen doordat koolstof in het vloeibare staal zich opnieuw bindt met zuurstof uit ijzeroxide:
$C + FeO = Fe + CO$ [23](#page=23).
Dit gasvorming veroorzaakt een onrustige stolling en vermengt onzuiverheden met het staal. Om dit te voorkomen, wordt het staal gekalmeerd door desoxidantia zoals silicium (Si) en aluminium (Al) toe te voegen, die een grotere affiniteit voor zuurstof hebben [23](#page=23).
$3FeO + Si = 2Fe + SiO_2$ [23](#page=23).
$3FeO + 2Al = 3Fe + Al_2O_3$ [23](#page=23).
De gevormde $SiO_2$ en $Al_2O_3$ vormen slakken met een lage soortelijke massa die boven komen drijven en worden verwijderd vóór het walsen. Dit resulteert in een rustigere stolling met minder onzuiverheden in het staal [23](#page=23).
### 3.4 Geplateerd staal
Omdat onzuiverheden een lager smeltpunt hebben dan staal, blijven ze langer vloeibaar tijdens de stolling. Het staal stolt eerst aan de wand van de gietvorm, terwijl de onzuiverheden zoals oxiden, silicaten en sulfiden naar het midden en de bovenkant worden verdrongen. Tijdens het stollen krimpt het staal, wat leidt tot een slinkholte die rijk is aan onzuiverheden en waardeloos is [24](#page=24).
Tijdens de stolling vormen zich elementaire cellen en kristallen. Vreemde elementen kunnen een plaats innemen in deze cellen of ingesloten raken. Aan de wand van de gietvorm is de afkoeling het grootst en het staal stolt er eerst. Hierbij worden vreemde elementen van de wand weg verdrongen, wat men concentratiestuw noemt [24](#page=24).
Dit leidt tot bloksegregatie: zuiver staal aan de buitenkant, gevolgd door lagen met hogere concentraties aan koolstof, zwavel en fosfor naar binnen toe. Wanneer zo'n blok wordt uitgewalst, ontstaat geplateerd staal, bestaande uit lagen met verschillende staalkwaliteiten. De hechting tussen deze lagen is minder goed, waardoor het staal bij belasting gemakkelijker kan scheuren. Dit type staal is niet geschikt voor koudvervorming zoals dieptrekken en diepstampen. Het gevaar op scheuren door uitwendige krachten is groter bij niet-gekalseerd staal vanwege het hogere percentage onzuiverheden [25](#page=25).
### 3.5 Warm- en koudgewalst staal
#### 3.5.1 Warmgewalste halffabrikaten en platen
Wanneer staal in gloeiende toestand wordt uitgewalst, kan aan de omtrek een schilferige oxidehuid ontstaan door reactie met omgevingszuurstof. Deze oxidehuid moet mechanisch worden verwijderd, bijvoorbeeld door draaien, frezen of zandstralen. Warmgewalste staalsoorten zijn taaier en hebben een grotere rek, wat betekent dat ze meer verlengen en doorbuigen voordat ze breken, en sneller plastische vervormingen ondergaan [26](#page=26).
De walshuid kan ook worden verwijderd door beitsen of decaperen met minerale zuren zoals zwavel-, zout- of fosforzuur. Na het beitsen worden de producten geolied om roestvorming te voorkomen. Gebeitste platen zijn beter te verwerken, aangezien machines en gereedschappen niet gereinigd hoeven te worden en er geen walshuid is die afschilfert tijdens bewerkingen zoals plooien of ponsen [26](#page=26).
#### 3.5.2 Koudgewalste halffabrikaten en platen
Na het warmwalsen en een beitsbewerking volgt het koudwalsen. Door koudwalsen ondergaan de producten koudversteviging, wat resulteert in een hogere treksterkte en elasticiteitsgrens. Deze staalsoorten zijn harder en brosser, met een hoge elastische rek en een kleine plastische rek; ze gedragen zich elastischer maar breken sneller na overschrijding van de grens [27](#page=27).
Door de afwezigheid van een oxidehuid zijn ze blank en direct toepasbaar, bijvoorbeeld als assen, zonder dure nabewerkingen. Ze zijn leverbaar op nauwkeurige toleranties, zoals rond op h9 en andere vormen op h11 en/of h12, en zelfs op h7 na nageslepen. Koudgewalste staalsoorten worden toegepast vanwege hun hogere elastische eigenschappen en hun directe toepasbaarheid [27](#page=27).
---
# Het ijzer-koolstof (Fe-C) diagram en thermische behandelingen
Het ijzer-koolstof (Fe-C) diagram vormt de basis om de structuur, eigenschappen en thermische behandelingen van staal te begrijpen.
## 4. Het ijzer-koolstof (Fe-C) diagram en thermische behandelingen
### 4.1 Kristalvorming
Tijdens de stolling van vloeibaar staal rangschikken de ijzeratomen zich, beginnend bij kiemvorming, met name waar de afkoeling het grootst is. Deze rangschikking streeft naar de dichtste bolpakking door wisselwerking van aantrekkings- en afstotingskrachten tussen de atomen, die elk een bolvormig territorium bezetten. Naarmate de stolling vordert, groeien de kiemen uit tot kristallen. De groei wordt belemmerd wanneer kristallen elkaar raken, wat resulteert in grillig gevormde structuren aan de kristalgrenzen, bekend als kristallieten, die door hun vorm in elkaar grijpen en hechting geven [28](#page=28).
In staalkristallen zijn de atomen regelmatig gerangschikt in een elementaire cel. De aard van deze rangschikking is metaalspecifiek [29](#page=29).
* **Kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster:** Elk hoekpunt van de kubus bevat een Fe-atoom, plus één atoom in het midden van de kubus (9 Fe-atomen totaal). Dit is ferriet of $\alpha$-Fe, het model van het Atomium in Brussel [29](#page=29).
* **Kubisch vlakken gecentreerd rooster:** Elk hoekpunt is voorzien van een Fe-atoom, alsook in het midden van elk zijvlak (14 Fe-atomen totaal). Dit is austeniet of $\gamma$-Fe, wat groter is dan het $\alpha$-Fe rooster [29](#page=29).
* **Hexagonaal kristal:** Heeft een zeshoekige grondcel met 17 Fe-atomen [29](#page=29).
Een metaal is polykristallijn, bestaande uit vele kristallen met verschillende oriëntaties die korrelgrenzen vormen. De hardheid en stugheid van een metaal nemen toe naarmate de kristallen kleiner zijn. Spanningen in het materiaal kunnen leiden tot het verschuiven van atoomlagen langs voorkeursrichtingen, wat zich uit in het vloeien van het staal. De omringende kristallen met andere oriëntaties begrenzen deze verschuivingen. Als deze verschuivingsmogelijkheden uitgeput zijn, stijgt de spanningsweerstand. Een ingewikkelde staalstructuur kan deze verschuivingen bemoeilijken, waardoor het materiaal geen vloeifase kent [30](#page=30).
### 4.2 Mengkristallen
Wanneer twee of meer metalen in vloeibare toestand gemengd worden, kunnen hun atomen in elkaar oplossen. Bij stolling kunnen de elementen in oplossing blijven, wat resulteert in een vaste oplossing van atomen die niet van elkaar te onderscheiden zijn: mengkristallen [31](#page=31).
#### 4.2.1 Substitutionele mengkristallen
Hierbij neemt het atoom van het opgeloste metaal de plaats in van het basismetaal. Dit komt voor bij legeringen zoals koper-nikkel, waarbij nikkelatomen koperatomen vervangen. Dit proces verloopt soepeler naarmate de kristalroosters, afmetingen en atoomgroottes van de betrokken elementen meer op elkaar lijken [31](#page=31).
#### 4.2.2 Interstitiële mengkristallen
De atomen van het opgeloste element (vaak een niet-metaal) plaatsen zich tussen de atomen van het basismetaal, in de zogenaamde matrix of moedermetaal. Dit is het geval bij ijzer-koolstofmengsels. Dit type mengkristal kan enkel gevormd worden als het vreemde atoom klein is ten opzichte van het matrixatoom, en er is een limiet aan de oplosbaarheid [31](#page=31).
### 4.3 Het Fe-C-diagram
Het ijzer-koolstof (Fe-C) diagram toont op de verticale as de temperatuur en op de horizontale as het koolstofgehalte (van 0 tot 6.67%). Het diagram geeft aan hoe het staal, afhankelijk van het koolstofgehalte, in specifieke kristallen zal stollen. Voor constructiestaal worden gebieden met minder dan 0.02% C vaak buiten beschouwing gelaten, aangezien zuiver ijzer (0% C) waardeloos is als constructiemateriaal en enkel magnetische eigenschappen heeft. Het diagram wordt doorgaans onderverdeeld in zones [32](#page=32):
* 0% tot 0.8% C
* 0.8% tot 2% C
* 2% tot 4.3% C
* 4.3% tot 6.67% C
De samenstelling met 0.8% C is het eutectoïde (perliet), en die met 4.3% C is het eutecticum (ledeburiet) [32](#page=32).
#### 4.3.1 Van 0% tot 0.8% C
Boven de liquiduslijn AC is het staal vloeibaar. Bij afkoeling onder AC begint kiemvorming en ontstaat austeniet ($\gamma$-Fe), een kubisch vlakken gecentreerd rooster. De hefboomregel kan worden toegepast om de verhouding tussen smelt en gevormd vast materiaal (austeniet) te bepalen [33](#page=33).
$$ \frac{x_1}{x_2} \cdot 100\% \text{ smelt} $$
$$ \frac{x_2}{x_1+x_2} \cdot 100\% \text{ vast} $$
Naarmate de temperatuur verder daalt, groeit het bestaande austeniet aan en vormen zich nieuwe austenietkristallen. Onzuiverheden worden naar de kristalgrenzen verdrongen, terwijl austeniet koolstof kan opnemen. Bij het snijden van lijn AE (punt 2) is al het materiaal vast en bestaat het uit austeniet [34](#page=34).
Onder de lijn GS scheidt zuiver ijzer (ferriet of $\alpha$-Fe) zich af uit de austeniet. Ferriet bevat 0% koolstof, waardoor het koolstofgehalte in de omringende austeniet stijgt. Op 723°C bestaat het materiaal uit ferriet en austeniet met 0.8% C, wat het eutectoïde punt vertegenwoordigt. Onder 723°C kan de koolstof niet meer naar de korrelgrenzen worden verdrongen en scheidt het zich af binnen de austenietkristallen, vormend perliet: een afwisseling van ferriet en cementiet (Fe$_{3}$C) [35](#page=35) [36](#page=36).
* **Perliet:** Een mengkristal van ferriet en cementiet, gevormd bij de eutectoïde reactie [36](#page=36).
Bij een koolstofgehalte onder 0.8% op kamertemperatuur bestaat het materiaal uit ferriet met perliet-eilandjes. Bij 0.8% C is de structuur 100% perliet (ferrietisch staal). Voorbeelden zijn A370 (0.17% C) dat ferrietisch is, C45 (0.45% C) dat ongeveer 50% ferriet en 50% perliet bevat (machinestaal), en C75 (0.75% C) dat bijna uitsluitend perlietisch is (gereedschapstaal) [37](#page=37).
#### 4.3.2 Van 0.8% tot 2% C
Boven de liquiduslijn AC is het staal vloeibaar; bij afkoeling ontstaan austenietkristallen. Boven lijn AE is al het materiaal vast (austeniet). Bij het snijden van lijn ES (punt 3) begint een afscheiding van secundair cementiet (Fe$_{3}$C) uit de vaste stof, omdat er veel koolstof aanwezig is. Het koolstofgehalte in de resterende austeniet daalt naarmate de temperatuur daalt. Op 723°C gaat de resterende austeniet over in perliet. Staal met iets meer dan 0.8% C heeft voornamelijk een perlietische structuur met weinig secundaire cementiet. Staal dichter bij 2% C bevat meer secundaire cementiet met perliet-eilandjes [38](#page=38) [39](#page=39).
#### 4.3.3 Van 2% tot 4.3% C
Eerst zonder er austeniet, maar door de hoge koolstofconcentratie stijgt het koolstofgehalte in de restsmelt naar ongeveer 4.3% C. Bij 1130°C bereikt de restsmelt de eutectische samenstelling van 4.3% C en vormt ledeburiet, een mengkristal van austeniet en cementiet. Bij verdere afkoeling scheidt koolstof zich af als secundair cementiet uit het austenietbestanddeel, zowel uit de oorspronkelijke austeniet als uit de austeniet binnen de ledeburiet. Op kamertemperatuur bestaat het materiaal uit de oorspronkelijke austeniet, secundair cementiet en perliet, gecombineerd met de oorspronkelijke ledeburiet (primaire cementiet, secundaire cementiet en perliet) [40](#page=40) [41](#page=41).
#### 4.3.4 Van 4.3% tot 6.67% C
Er zal eerst cementiet (Fe$_{3}$C) neerslaan uit de smelt; dit is primair cementiet en heeft een grove structuur. Omdat cementiet veel koolstof opneemt, daalt het koolstofgehalte in de restsmelt naar ongeveer 4.3% C bij 1130°C, waarbij het ledeburiet vormt [42](#page=42).
* **Ledeburiet:** Bestaat aan de omtrek uit primair cementiet, binnenin uit secundair cementiet en perliet, en in de kern uit perliet [42](#page=42).
Op kamertemperatuur is er grove primaire cementiet en ledeburiet. Binnen de ledeburiet treedt afscheiding van secundair cementiet op [43](#page=43).
### 4.4 Invloed van het koolstofgehalte
#### 4.4.1 Koolstofgehalte en soort staal
#### 4.4.2 Koolstofgehalte en structuur staal
#### 4.4.3 Koolstofgehalte en structuur gietijzer
### 4.5 Koolstofgehalte en eigenschappen
Over het algemeen neemt met stijgend koolstofgehalte het percentage perliet en cementiet toe [45](#page=45).
* **Hardheid:** Stijgt met toenemend koolstofgehalte [45](#page=45).
* **Treksterkte:** Stijgt tot ongeveer 0.8% C, daarna neemt deze af doordat de korrelbinding vermindert door de aanwezigheid van secundaire cementiet [45](#page=45).
* **Rek, insnoering en kerfslagwaarde:** Verminderen bij toenemend koolstofgehalte, doordat de aanwezigheid van cementiet het staal brozer maakt [45](#page=45).
* **Koudvervormbaarheid:** Vermindert tot nul bij 0.8% C [45](#page=45).
* **Warmvervormbaarheid:** Vermindert tot nul bij 2% C [45](#page=45).
* **Lasbaarheid:** Vermindert tot nul bij 0.25% C, hoewel specifieke methoden lassen mogelijk maken [45](#page=45).
* **Verspaanbaarheid:** Vermindert bij toenemend koolstofgehalte, vooral wanneer koolstof chemisch gebonden is in harde cementietkristallen. Bij vrije koolstof (grafiet) is de verspaanbaarheid goed [45](#page=45).
* **Hardbaarheid:** Vereist een minimum van 0.3% C. Een maximum van 0.8% C is wenselijk om te hoge verhitting en daarmee korrelgroei te voorkomen, wat de mechanische eigenschappen negatief beïnvloedt [45](#page=45).
### 5 Thermische behandelingen
#### 5.1 Harden
Harden vindt plaats door het staal te verhitten tot boven de G$_{S}$-lijn (ongeveer 726°C + 50°C) om een austenietstructuur te verkrijgen. Bij langzame afkoeling scheidt ferriet of zuiver ijzer zich uit de austeniet, waarbij koolstof naar de resterende austeniet wordt verdrongen. Snellere afkoeling (afschrikken) verhindert deze uitscheiding, waardoor de koolstof in de austenietmatrix verdeeld blijft en de structuur vervormt tot martensiet, een naaldstructuur [46](#page=46).
Voor staal tot 0.8% C is verhitting boven de G$_{S}$-lijn nodig om alle koolstof in austeniet op te lossen. Verhitting onder deze lijn zou leiden tot hard martensiet in een omgeving van zacht ferriet, wat geen zin heeft. Voor staal met meer dan 0.8% C is verhitting boven de SE-lijn niet wenselijk vanwege korrelgroei; hierbij wordt enkel het perlietbestanddeel omgezet in austeniet, terwijl de secundaire cementiet behouden blijft [46](#page=46).
Het doel van harden is de natuurlijke hardheid van het staal te verhogen. Martensiet is aanzienlijk harder dan ferriet en cementiet met hetzelfde koolstofgehalte, wat resulteert in hogere treksterkte maar ook grotere brosheid. De hardheid stijgt significant met het koolstofgehalte tot ongeveer 0.9% C. Staalsoorten met minder dan 0.3% C ervaren een geringe hardheidstoename; voor hen zijn behandelingen zoals cementeren en nitreren alternatieven. Het afschrikken kan gebeuren in water, olie of lucht, afhankelijk van het staaltype en de gewenste hardheid [47](#page=47).
#### 5.2 Ontlaten
Gehard staal wordt opnieuw verhit tot 150-200°C om de brosheid sterk te verminderen zonder de hardheid significant aan te tasten. Verhitting boven 150°C leidt tot een afname van de hardheid, terwijl de taaiheid toeneemt. Het ontlaten dient om de grootste interne spanningen, ontstaan door het harden, weg te nemen. Deze spanningen kunnen leiden tot breuk, vooral bij onderdelen met grillige vormen of dikteverschillen. Het ontlaten tempert de brosheid van de martensiet [48](#page=48).
#### 5.3 Spanningsvrij gloeien
Deze behandeling is bedoeld om interne spanningen in machineonderdelen te elimineren. Spanningen kunnen ontstaan door ongelijke afkoeling (bv. gietstukken), lasverbindingen, of koude vervorming (bv. koudgetrokken assen, plooibewerkingen). Ook wanneer de omzetting van austeniet naar martensiet bij het harden niet gelijktijdig plaatsvindt, kunnen spanningen ontstaan. Door het materiaal langzaam op te warmen tot 550-650°C, dit enkele uren aan te houden en vervolgens langzaam in de oven af te laten koelen, verdwijnen de inwendige spanningen. Dit wordt toegepast op gewalsde, gesmede en gegoten stukken waaraan hoge eisen worden gesteld, met name vóór een hardingsbehandeling [49](#page=49).
#### 5.4 Veredelen
Veredelen is het verhitten van staal na het harden tot hogere temperaturen (400-650°C). Bij hogere temperaturen neemt de gevormde martensiet af, en worden de aanwezige cementiet geconcentreerd tot bolvormige sorbiet. Dit resulteert in een gunstige combinatie van eigenschappen: hardheid en treksterkte dalen ten opzichte van het geharde staal, maar blijven hoger dan in de zachte, onbehandelde toestand. Tegelijkertijd nemen de taaiheid, weerstand tegen stootbelastingen en vervormbaarheid toe. De juiste hardingstemperatuur, afschrikmiddel en ontlaattemperatuur worden door de staalfabrikant gespecificeerd [50](#page=50).
#### 5.5 Normaal gloeien
Normaalgloeien wordt voornamelijk toegepast op onderperlietisch staal (< 0.9% C). De onderdelen worden ongeveer 50°C boven de G$_{S}$-lijn verhit en vervolgens in rustige lucht afgekoeld. Door de dubbele omzetting (ferriet/perliet naar austeniet en terug) wordt de structuur gematigder en fijnerkorreliger, wat de mechanische eigenschappen, zoals taaiheid, ten goede komt. Dit wordt toegepast op gietstukken met onregelmatige structuren, koudgewalste stukken, gesmede onderdelen en laszones om een normale of fijnere structuur te verkrijgen [51](#page=51).
#### 5.6 Zachtgloeien
Zachtgloeien wordt toegepast op staal met meer dan 0.9% C (overperlietische gereedschapsstalen). Het onderdeel wordt verhit tot 680-720°C (net onder de SK-lijn) en vervolgens langzaam afgekoeld (10°C per uur tot 500°C, daarna in lucht). De cementietplaatjes in perliet en de secundaire cementiet herschikken zich tot fijne korreltjes (globulaire vorm) in plaats van de lamellaire structuur. Dit verbetert de mechanische eigenschappen aanzienlijk, maakt het staal zachter, taaier en beter verspaanbaar. Het creëert een gunstige uitgangsstructuur voor verdere hardingsbehandelingen [52](#page=52).
#### 5.7 Cementeren of carboneren
Staal met een te laag koolstofgehalte, dat niet gehard kan worden, kan door cementeren een geharde buitenlaag krijgen. Het onderdeel wordt verhit in een koolstofrijke omgeving, waardoor de buitenlaag door diffusie koolstof opneemt. Hierdoor ontstaat een harde, slijtvaste buitenlaag met voldoende koolstof om te harden, terwijl de kern zacht en taai blijft door het gebrek aan koolstof. Dit is ideaal voor kleine onderdelen die slijtvast moeten zijn maar niet mogen breken, zoals tandwielen. De verhittingstemperatuur ligt doorgaans tussen 850-900°C, en de dikte van de cementeerlaag varieert van 0.1 tot 2 mm, afhankelijk van de verhittingstijd en temperatuur. Het is belangrijk te voorkomen dat de gecementeerde laag overperlietisch wordt, wat brosheid kan veroorzaken [53](#page=53).
#### 5.8 Nitreren
Nitreren is een thermische behandeling waarbij het staal een hard oppervlak krijgt met behoud van een taaie kern, vergelijkbaar met cementeren, maar met opname van stikstof in plaats van koolstof. Na cementeren is nog afschrikken en ontlaten nodig, terwijl genitreerd staal na de behandeling enkel langzaam hoeft af te koelen. Ongelegeerd staal kan niet genitreerd worden; enkel specifieke legeringen met chroom (Cr) of aluminium (Al), en vaak kleine hoeveelheden mangaam (Mn), molybdeen (Mo), nikkel (Ni) of vanadium (V) zijn geschikt. Het proces vindt plaats door verhitting tot 500-550°C in ammoniakgas, waarbij stikstof diffundeert en zeer harde nitriden vormt met de legeringselementen. Dit is een langdurig en duur proces; voor 0.9 mm laagdikte is 90 uur nodig. Het staal moet vóór het nitreren veredeld zijn; vrije ferriet mag niet aanwezig zijn om afbladeren te voorkomen. Voordelen zijn dat de onderdelen door de relatief lage verhitting niet trekken, de nitreerlaag zeer hard en corrosievast is, en dat het geschikt is voor dunne stukken omdat de taaie kern behouden blijft [54](#page=54).
---
# Staalnormalisatie en -sortering
De Europese normen voor staalaanduiding, met name EN 10027, bieden een gestructureerd systeem voor het classificeren en benoemen van staalsoorten op basis van hun mechanische of chemische eigenschappen, wat essentieel is voor de internationale handel en technische specificaties [55](#page=55).
### 6.1 Normering voor staal
De Europeanisering heeft geleid tot de harmonisatie van normen, met de oprichting van het CEN (Centrum voor Europese Normalisatie). Voor materiaalaanduiding vervangt de Euro-norm, zoals EN 10020 en later EN 10025, de diverse nationale normen (bv. NBN 147, 153, DIN 171100). Vroeger werd staal aangeduid op basis van treksterkte, maar de huidige normen bieden een meer gedetailleerde classificatie [55](#page=55).
EN 10027 is onderverdeeld in twee delen:
* **EN 10027 deel 1:** Aanduiding op basis van mechanische of chemische eigenschappen. Dit deel presenteert twee systemen:
* Een basissymbool voor de toepassing, aangevuld met codes voor mechanische en fysische kenmerken (meestal voor ongelegeerde staalsoorten) [55](#page=55).
* Een aanduiding gebaseerd op de chemische samenstelling (meestal gebruikt voor gelegeerde staalsoorten) [55](#page=55).
* **EN 10027 deel 2:** Aanduiding volgens hun werkstofnummer (voorheen DIN-nomering) [55](#page=55).
### 6.2 EN 10027 – deel 1
#### 6.2.1 Aanduiding van constructiestaal
Het basissymbool voor constructiestaal volgens EN 10027-1 is de letter **S**, gevolgd door een getal dat de gespecificeerde rekgrens (of vloeigrens) aangeeft, meestal voor het kleinste gespecificeerde diktebereik, uitgedrukt in N/mm² [56](#page=56).
**Voorbeeld:** EN 10025-S235JR
* **S:** Symbool voor constructiestaal [56](#page=56).
* **235:** Minimale rekgrens van 235 N/mm² [56](#page=56).
* **JR:** Achtervoegsel dat de eis voor de minimale kerfslagwaarde aangeeft [56](#page=56).
**Overzicht van symbolen en achtervoegsels voor constructiestaal:**
| Basissymbool | Betekenis | Getal (N/mm²) | Eisen Kerfslagproef | Temperatuur Kerfslagproef | Kenmerken Constructiestaal | Kenmerken Fijnkorrelig Constructiestaal |
| :--------------- | :----------------------------------------------------------- | :---------------------------------------------- | :------------------ | :------------------------ | :------------------------- | :-------------------------------------- |
| S (fijnkorrelig) | Constructiestaal | Gespecificeerde minimum rekgrens (kleinste dikte) | J = 27 Joule | R = 20°C | W = Corrosiebestendig | N = Genormaliseerd of normaliserend gewalst |
| P | Staal voor drukvaten | Karakteristieke rekgrens | K = 40 Joule | 0 = 0°C | G1 = Ongekalmeerd staal | M = Thermo-mechanisch gewalst |
| L | Staal voor transportleidingen | Gespecificeerde treksterkte | L = 60 Joule | 2 = -20°C | G2 = Gekalmeerd staal | L = Voor toepassingen bij lage temperaturen (-50°C) |
| E | Constructiestaal | Gespecificeerde minimum treksterkte | | 3 = -30°C | G3 = Genormaliseerd of normaliserend gewalst | NL1 = Genormaliseerd, lage temperaturen (>=16J bij -50°C) |
| B | Betonstaal | Gespecificeerde minimum rekgrens | | 4 = -40°C | G4 = Producent heeft keuze | NL2 = Genormaliseerd, lage temperaturen (>=27J bij -50°C) |
| Y | Voorspanstaal | | | 5 = -50°C | | NH = Voor toepassingen bij hoge temperaturen |
| R | Staal voor of in vorm van rails | | | 6 = -60°C | | Q = Veredeld |
| H | Koudgewalste platte producten met hoge rekgrens voor dieptrekken | | | | | |
| D | Platte producten voor koudvervormen | | | | | |
| C | Voor koudgewalste producten | | | | | |
| X | Indien de walsmethode niet is opgegeven | | | | | |
**Voorbeelden van aanduidingen:**
* **S235 JR G2:**
* S: Staal [58](#page=58).
* 235: Gespecificeerde minimum rekgrens van 235 N/mm² [58](#page=58).
* JR: Kerfslagwaarde 27 Joule bij 20°C [58](#page=58).
* G2: Leveringstoestand = gekalmeerd staal [58](#page=58).
* **S355 N L:**
* NL: Normaal gegloeid voor lagere temperaturen [58](#page=58).
#### 6.2.2 Aanduiding staalsamenstelling
Staalkwaliteiten aangeduid op basis van chemische samenstelling worden onderverdeeld in drie groepen [59](#page=59):
##### 6.2.2.1 Basissymbool = C, gevolgd door gemiddelde koolstofpercentage x 100
Dit systeem wordt voornamelijk gebruikt voor ongelegeerde staalsoorten [59](#page=59).
**Voorbeeld:** C45 = staal met 0.45% koolstof [59](#page=59).
Een staalsoort is ongelegeerd wanneer de grenswaarden van mogelijke legeringselementen niet worden overschreden [59](#page=59).
**Voorbeelden van aanduidingen:**
* **C35E:** Ongelegeerd staal met < 1% Mn en 0.35% C, met beperkt P & S gehalte (<0.035%) (vroeger Ck 35) [59](#page=59).
* **C25R:** Ongelegeerd staal met <1% Mn en 0.25% C, en met voorgeschreven P & S gehalte (=0.035%) (vroeger Cm 25) [59](#page=59).
Wanneer 2, 3 of 4 elementen uit bepaalde groepen tegelijkertijd voorkomen, wordt de grenswaarde voor deze elementen op 70% gesteld [59](#page=59).
##### 6.2.2.2 Laaggelegeerd staal
Dit systeem begint met het gemiddelde koolstofpercentage x 100, gevolgd door de chemische symbolen van de legeringselementen. Deze symbolen worden gevolgd door getallen die de percentages van de legeringselementen vermenigvuldigd met een factor aangeven [60](#page=60).
**Factoren voor legeringselementen:**
* Percentage Co, Cr, Mn, Ni, Si en W x 4 [60](#page=60).
* Percentage Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V en Zr x 10 [60](#page=60).
* Percentage N, P, S en Ce x 100 [60](#page=60).
* Percentage B x 1000 [60](#page=60).
De totale hoeveelheid aan legeringselementen mag niet meer dan 5% bedragen [60](#page=60).
**Voorbeelden:**
* **13CrMo4-5:** Laaggelegeerd staal met nominaal 0.13% koolstof, 1% Chroom (4/4), en 0.5% Molybdeen (5/10) [61](#page=61).
* **42CrMo4:** Laaggelegeerd staal met nominaal 0.42% koolstof, 1% Chroom (4/4), en een niet nader gespecificeerd percentage Molybdeen [61](#page=61).
##### 6.2.2.3 Hooggelegeerd staal
Het basissymbool is **X**, gevolgd door een getal dat de hoeveelheid koolstof in % x 100 weergeeft. De verdere aanduiding bevat de chemische symbolen van de legeringselementen, gerangschikt naar afnemend gehalte. De opeenvolgende getallen geven de gehalten van de belangrijkste legeringselementen weer, zonder verhoudingscoëfficiënten [61](#page=61).
Een staalsoort is hooggelegeerd wanneer het meer dan 5% legeringselementen bevat [61](#page=61).
**Voorbeelden:**
* **X35CrMo17-6:** Hooggelegeerd staal met nominaal 0.35% koolstof, 17% Chroom en 6% Molybdeen [61](#page=61).
* **X50NiCr21-9:** Hooggelegeerd staal met nominaal 0.50% koolstof, 21% Nikkel en 9% Chroom [61](#page=61).
### 6.3 EN 10027 Deel 2
Deze norm benoemt staalsoorten (en andere materialen) aan de hand van een grondstofnummer, ook wel het periodieke systeem genoemd, met oorsprong in de DIN-norm. Dit nummer is de meest gebruikte, maar minst bekende materiaalaanduiding, en wordt bij speciale materialen altijd op het materiaal vermeld. Met behulp van een "staalsleutel" kan men op basis van dit nummer alle eigenschappen, normen en leveranciers terugvinden. Een nadeel is dat een nummer weinig zegt en onmogelijk uit het hoofd te leren is [62](#page=62).
### 6.4 Roestvaststaal aanduidingen volgens EN 10088
De aanduiding van roestvaststaalkwaliteiten gebeurt op basis van chemische samenstelling. Vanwege de vaak lange aanduidingen wordt bij roestvaste staalkwaliteiten het materiaalnummer vaker gebruikt. De normen behandelen verschillende soorten RVS: Ferritische, Martensitische en precipitatie geharde, Austenitische, en Duplex roestvaste staalkwaliteiten [63](#page=63).
De term 'roestvast staal' dekt een reeks metalen met verschillende samenstellingen en eigenschappen. Een gemeenschappelijk kenmerk is de aanwezigheid van minimaal 11% Chroom, wat zorgt voor de roestvastheid [64](#page=64).
### 7 Staalsoorten
#### 7.1 Courant staal
Deze staalsoorten worden, zoals geleverd, gebruikt in de machinebouw en staalconstructies. Ze hebben een walshuid van warmwalsen en zijn redelijk goed verspaanbaar, vervormbaar en lasbaar. Ze zijn verkrijgbaar als platen, staven en diverse profielen [65](#page=65).
* **Algemeen Courant Staal:** De meest toegepaste warmgewalste kwaliteit, goed verspaan-, vervorm- en lasbaar, en goed thermisch te verzinken. Leverbaar in diverse profielen [65](#page=65).
* **Courant Staal met betere eigenschappen:** Heeft een betere kerfslagwaarde en hogere rekgrens, maar vereist voorzorgsmaatregelen bij lassen om koudscheuren te voorkomen. Leverbaar in diverse profielen [65](#page=65).
* **Ongelegeerd constructiestaal:** In levertoestand heeft het een laag C%-gehalte en relatief lage treksterkte, wat nadelig kan zijn. Het verhogen van het C%-gehalte verbetert de sterkte maar vermindert de lasbaarheid en maakt het ongewild harderbaar, wat scheuren kan veroorzaken [65](#page=65).
* **Laaggelegeerd staal voor lasconstructies:** Ontworpen voor hogere sterkte en uitstekende lasbaarheid, dankzij legeringselementen zoals Mn, Si, Cu, Ni en Cr [65](#page=65).
#### 7.1.2 Cementeerstaal
Deze staalsoorten zijn geschikt voor cementeren of carboneren, en stellen daarom hoge eisen aan zuiverheid met een laag koolstofgehalte (0.05-0.25%C). Het doel is de onderdelen aan de oppervlakte te harden, met behoud van een taaie kern en goede slijtageweerstand. Toepassingen omvatten nokken, tandwielen, spindels en assen [66](#page=66).
* **C-staal:** Geschikt voor licht belaste, aan slijtage onderhevige onderdelen zoals nokken en kleine tandwielen [66](#page=66).
* **Gelegeerd carboneerstaal:** Door de aanwezigheid van mangaan en chroom is de doorharding beter en de maat-/vormveranderingen kleiner. Vereist voorzorgsmaatregelen bij lassen. Geschikt voor zwaarder belaste onderdelen zoals tandwielen en aandrijfassen [66](#page=66).
#### 7.1.3 Veredelstaal
Geschikte staalsoorten voor veredeling, met een koolstofgehalte tussen 0.2% en 0.6%. Door austenitiseren, afschrikken en ontlaten op hogere temperaturen dan 500°C wordt een optimale combinatie van rekweerstand en taaiheid bereikt. Ze kunnen in voorveredelde toestand geleverd worden. Bij hogere koolstofgehaltes zijn voorzorgsmaatregelen tegen koudscheuren bij lassen noodzakelijk [67](#page=67).
* **Veredelstaal met laag C%:** Lage te bereiken hardheid en geringe doorharding. Redelijk goed te verspanen en lassen. Toegepast voor licht belaste onderdelen in machine- en automobielindustrie [67](#page=67).
* **Veredelstaal met C% tot 0.45:** Meest toegepaste kwaliteit met betere sterkte-eigenschappen. Oppervlaktehardheden groter dan 45 HRC zijn mogelijk na afschrikken in water. Veel toegepast in machinebouw [67](#page=67).
* **Gelegeerd veredelstaal (Cr):** Lage afkoelsnelheid en goede doorharding door Cr-toevoeging. Hoge sterkte en goede weerstand tegen wisselende belastingen/vermoeiing in veredelde toestand. Lassen dient vermeden of met voorzorg te gebeuren vanwege het hoge koolstofgehalte. Veel toegepast in machine- en automobielindustrie voor tandwielen, assen, etc. [67](#page=67).
* **Gelegeerd veredelstaal (Ni, Cr):** Betere doorharding door nikkel en hoger chroomgehalte, waardoor grotere onderdelen tot in de kern veredeld kunnen worden. Nikkel verbetert de kerftaaiheid bij lage temperaturen. Nitreren kan de slijtageweerstand verbeteren. Lassen dient vermeden of met voorzorg te gebeuren vanwege het hoge koolstofgehalte [67](#page=67).
#### 7.1.4 Automatenstaal
Deze staalsoorten zijn speciaal ontworpen voor volautomatische machines en vereisen de volgende eigenschappen:
* **Hoge snijsnelheid en ononderbroken bewerking:** Korte, gemakkelijk afbrekende spanen voor transport zijn essentieel. Goede verspaanbaarheid wordt verkregen door de aanwezigheid van S, Mn (max 0.3%) en/of Pb [69](#page=69).
* **Glad oppervlak en grote maatnauwkeurigheid:** Het element P (max 0.1%) is hiervoor verantwoordelijk [69](#page=69).
* **Minimale slijtage van snijgereedschap:** Aanwezigheid van smerende bestanddelen voorkomt vroegtijdige slijtage van de snijkant [69](#page=69).
Automatenstaal is verkrijgbaar in ronde, vierkante, zeskantige staven en wordt gebruikt voor kleine onderdelen bij massafabricage, leverbaar op tolerantie [69](#page=69).
* **Blank automatenstaal:** Uitstekende verspaanbaarheid, geleverd op tolerantie h9 (rond) of h11 (vierkant/zeskantig) [69](#page=69).
* **Blank automatenstaal met Pb:** Verbeterde verspaanbaarheid door lood, wat hogere snijsnelheden mogelijk maakt. Kan een minuscule loodlaag afzetten die galvanische behandelingen negatief kan beïnvloeden. Leverbaar op tolerantie h9 (rond) of h11 (vierkant/zeskantig) [69](#page=69).
#### 7.1.5 Blankstaal
Blankstaal wordt verkregen door een koude eindbewerking, resulterend in een glad uiterlijk [70](#page=70).
* **Koudtrekken (K):** Voor kleinere diameters, leidt tot koudversteviging, toename van sterkte en afname van taaiheid. Verbeterde verspaanbaarheid. Het eindproduct heeft geen walshuid, is blank, heeft een goede oppervlakte ruwheid en is op tolerantie [70](#page=70).
* **Schillen (Sh):** Voor grotere diameters, waarbij de walshuid mechanisch wordt verwijderd. Kan spiraalvormige groeven vertonen [70](#page=70).
**Verschillende soorten blankstaal:**
* **Blank staal (vergelijkbaar met S235JRG2):** Betere oppervlaktegesteldheid en sterkte dan warmgewalst staal. Minder vervormbaar, dus minder geschikt voor buigbewerkingen. Betere verspaanbaarheid en goede lasbaarheid. Leverbaar in rond (tolerantie h9), vierkant, plat en hoekstaal (tolerantie h11) [70](#page=70).
* **Blank staal met hogere rekgrens:** Mogelijkheid tot lichtere constructies. Lasbaar, maar voorzorgen tegen koudscheuren bij grotere constructies zijn nodig. Rond leverbaar op tolerantie h9 [70](#page=70).
* **Blank automatenstaal:** Zie 7.1.4 [70](#page=70).
* **Blank veredelstaal (laag C%):** Gerigne doorharding door laag koolstofgehalte en ontbreken van legeringselementen. Oppervlakteharden door vlam- of inductieharden is mogelijk. Betere oppervlaktegesteldheid en hogere sterkte, minder vervormbaar. Lassen onder voorbehoud. Gebruikt voor matig belaste onderdelen, rond leverbaar op tolerantie h9 [71](#page=71).
* **Blank veredelstaal (hoger C%):** Redelijk sterkteniveau door veredelen bij hoger koolstofgehalte. Gerigne doorharding door ontbreken van legeringselementen. Oppervlakteharding tot >45 HRC mogelijk. Betere oppervlaktegesteldheid en sterkte dan warmgewalste soort. Minder geschikt tot vormgeven. Lassen dient vermeden te worden of met voorzorg. Veel gebruikt in machinebouw, rond op h9, nageslepen op h6. Zeskant en plat op h11. Vierkant en plat als spieënstaal [71](#page=71).
* **Blank gelegeerd veredelstaal (geschild/nageslepen):** Zie eigenschappen van veredelstaal. Rond leverbaar op h9, nageslepen op h6 [71](#page=71).
#### 7.1.6 Hittevast staal
Onderdelen en constructies die langdurig hoge temperaturen moeten weerstaan, mogen geen kruipgedrag vertonen. Het gebruik van warmvaste staalsoorten is dan cruciaal [72](#page=72).
#### 7.1.7 Slijtvast staal
Onderdelen die aan schurende milieus worden blootgesteld, moeten zeer slijtvast zijn. Dit vereist een hoog koolstofgehalte en legeringselementen zoals mangaan, chroom, vanadium, borium voor volledige doorharding. Het hoge koolstofgehalte leidt tot een lage kritische afkoelsnelheid, wat problemen bij lassen kan veroorzaken, waardoor lassen wordt ontraden. Verspaanbaarheid is een uitdaging, hoewel in gegloeide toestand en met borium staal redelijk te verspanen is [73](#page=73).
* **Slijtvast staal (veredelstaal):** Gebruikt waar slijtvastheid, schok- en stootbestendigheid vereist is. Te veredelen en harden, lassen dient vermeden te worden. Toegepast in grondbewerking, tegel- en steenfabricatie [73](#page=73).
#### 7.1.8 Lasersnijstaal
Deze staalsoorten spelen een belangrijke rol in de plaatverwerking en vereisen hogere zuiverheid om braamvorming te beperken, vlakheid te behouden en interne spanningsvelden laag te houden. Vervorm- en lasbaarheid moeten behouden blijven [74](#page=74).
* **Lasersnijstaal (verwant aan S235JR G2):** Hogere zuiverheid voor betere lasersnijbaarheid, met behoud van mechanische eigenschappen. Lasbaar met alle gangbare methoden, leverbaar in warmgewalste en gegloeide toestand [74](#page=74).
* **Thermo-mechanisch gewalst lasersnijstaal:** Uitstekend lasersnijbaar, relatief hoge rekgrens, goede lasbaarheid en vervormbaarheid. Gebeitst geleverd [74](#page=74).
#### 7.1.9 Verenstaal
Kenmerkt zich door een hoge elasticiteitsgrens en vermoeiingswaarde. Leverbaar in draad of band in ongeharde, blank gegloeide, nagewalste, geharde en geblauwde uitvoeringen [75](#page=75).
#### 7.2 Corrosievast staal (of roestvrij)
Het sleutelelement voor corrosievast staal is Cr (min. 12%), wat in combinatie met Ni het staal corrosievaster en taaier maakt. De legeringselementen beïnvloeden de structuur van het staal, leidend tot verschillende typen roestvast staal: austenitisch, ferrietisch, martensitisch en duplex [76](#page=76).
##### 7.2.1 Austenietisch
Nikkel (8%) is, naast Chroom (18%), het voornaamste legeringselement dat het gevormde austeniet stabiliseert. Harden door verhitting is niet mogelijk door het ontbreken van structuurwijziging; sterkte-eigenschappen kunnen verbeterd worden door koudvervorming [76](#page=76).
* **Standaard Austenietisch staal (bv. 18-8):** Basistype roestvast staal, uitstekend bestand in tal van oxiderende milieus. Behoudt taaiheidseigenschappen bij lage temperaturen en is goed polijstbaar. In gegloeide toestand goed vervormbaar (buigen, dieptrekken). Koudvervormingen kunnen leiden tot structuurveranderingen en magnetisme. Toegepast in zuivel-, voedingsindustrie, en in contact met bier, wijn en vloeibare stikstof [76](#page=76).
* **Austenietisch staal met S:** Verbeterde verspaanbaarheid door zwavel, maar verminderde vervormbaarheid, corrosievastheid en lasbaarheid. Zwavel vormt mangaansulfiden die de spaan breken en de beitel smeren. Leverbaar blank op h9, toegepast voor gedraaide onderdelen in de voedings-, zuivel- en textielindustrie [77](#page=77).
* **Austenietisch staal met laag C% en Ti:** Verlaagd koolstofgehalte verbetert de lasbaarheid en vermindert interkristallijne corrosie. Titaan verbetert vervorm- en polijstbaarheid. Zeer goede taaiheideigenschappen bij lage temperaturen, verminderde verspaanbaarheid. Gebruikt in voedings-/zuivelindustrie, huishoudelijke apparaten, bouwelementen [77](#page=77).
* **Austenietisch staal met Mo en laag C%:** Verbeterde corrosieweerstand door Mo en verminderde gevoeligheid voor interkristallijne corrosie door lager C%. Goed vervormbaar, polijstbaar en behoudt taaie eigenschappen. Leverbaar blank op h9, toegepast in voeding-/zuivelindustrie, zwembaden, bouw en maritieme omgevingen [77](#page=77).
* **Austenietisch staal met Ti (voor hoge temperaturen):** Titaan vermindert gevoeligheid voor interkristallijne corrosie in gelaste constructies. Toepasbaar bij langdurige blootstelling aan temperaturen van 450-850°C. Verminderde polijst- en vervormbaarheid, moeilijker verspaanbaar. Toegepast in chemische, textiel- en rubberindustrie [77](#page=77).
##### 7.2.2 Ferrietisch
Relatief laag koolstofgehalte (<0.10%) resulteert in een ferrietische structuur. Het staal is niet hardbaar; sterkte kan worden verhoogd door koudversteviging. Bij lage temperaturen wordt het staal bros. De vervormbaarheid is minder goed dan die van austenitische soorten, maar de dieptrekbaarheid is goed. Verspaanbaarheid is vergelijkbaar met austenitische soorten, met meer aanleg tot kantopbouw. Zeer goed polijstbaar (behalve met titaan) en redelijk lasbaar, met gevaar voor korrelgroei en interkristallijne corrosie in de verhittingszone [78](#page=78).
* **Standaard Ferrietisch staal:** Minder goede corrosievastheid dan austenitische soorten, enkel bruikbaar in minder agressieve omstandigheden. Gebruikt voor huishoudelijke toestellen, bestek, wieldoppen, bouwelementen. Uitstekend polijstbaar en relatief goede dieptrekeigenschappen. Buigen en plooien minder goed uitvoerbaar, vooral niet evenwijdig met de walrichting. Voor grotere diktes is voorverwarmen (100-300°C) noodzakelijk. Beperkt lasbaar [78](#page=78).
##### 7.2.3 Martensietisch
Chroom is het belangrijkste legeringselement, met toevoeging van molybdeen voor corrosieweerstand en nikkel voor taaiheid. Dit staal kan gehard en/of veredeld worden. Gedeeltelijke omzetting leidt tot ferrietisch-martensitische soorten, volledige omzetting tot martensietische soorten [79](#page=79).
De verspaanbaarheid neemt af bij stijgend koolstofgehalte en is slechter dan bij ferrietische soorten. In veredelde toestand is de verspaanbaarheid vergelijkbaar met andere veredelstalen met dezelfde mechanische eigenschappen. Koudvervormen neemt af bij stijgend koolstof- en chroomgehaltes; vervorming is pas mogelijk na zachtgloeien. Lassen van martensietische soorten wordt ontraden wegens het gevaar op scheurvorming. De corrosieweerstand is minder dan die van ferrietische soorten. Toepassingen omvatten matrijzen-, machine- en apparatenbouw voor onderdelen die hoge sterkte, slijtvastheid en enige corrosieweerstand vereisen [79](#page=79).
* **Martensietisch staal (veredelde toestand):** Hoge sterkte en taaiheid, ook bij lage temperaturen. Matige tot slechte verspaan- en vervormbaarheid. Lassen wordt ontraden. Leverbaar veredeld, blank op h9, toegepast in levensmiddelenindustrie en machinebouw [79](#page=79).
* **Martensietisch staal met S:** Verbeterde verspaanbaarheid door zwavel, uitstekend geschikt voor bewerkingscentra's. Zwavel heeft een nadelig effect op vervormbaarheid, corrosieweerstand en lasbaarheid. Toegepast wanneer geen al te grote eisen worden gesteld aan corrosieweerstand. Geleverd gegloeid, blank op h9, toegepast voor schroeven, moeren, fittingen, huishoudelijke apparaten, en niet-corrosieve industriële toepassingen [79](#page=79).
* **Martensietisch staal met goede corrosievastheid:** Relatief goede corrosievastheid, sterkte en taaiheid. In gegloeide toestand geleverd, behoudt eigenschappen bij verhoogde temperaturen. Matige tot slechte verspaan- en vervormbaarheid. Lassen wordt ontraden. Leverbaar veredeld, blank op h9 [79](#page=79).
#### 7.2.4 Duplex roestvast staal
Door een gepaste samenstelling kan een structuur worden verkregen die 50% ferrietisch en 50% austenietisch is, waardoor de positieve eigenschappen van beide worden gecombineerd. Dit staal heeft een hogere rekgrens en lage uitzettingscoëfficiënt, wat lichtere constructies mogelijk maakt door de hogere treksterkte. De vervormbaarheid en verspaanbaarheid zijn wel minder dan bij austenitische soorten. Het is goed lasbaar mits de juiste keuze van toevoegmateriaal en beheersing van de thermische cyclus [81](#page=81).
#### 7.2.5 Hittevast roestvast staal
Deze staalsoorten behouden hun vastheidseigenschappen en corrosievastheid op hoge temperaturen en bezitten een hoge kruipsterkte [82](#page=82).
* **Ferritische kwaliteiten:** Bevatten vooral Cr, Al en/of Si als legeringselementen. Hittevast tot 1100°C [82](#page=82).
* **Austenitische kwaliteiten:** Gelegeerd met vooral Cr, Ni, Al en/of Si. Hittevast tot 1350°C. Kunnen gebruikt worden als elektrische weerstandsdraad [82](#page=82).
#### 7.3 Gelegeerd gereedschaps- of werktuigstaal
Dit zijn staalsoorten voor het vervaardigen van gereedschappen (bv. kapmessen, matrijzen) die harder moeten zijn dan het te vormen onderdeel. Deze soorten zijn laag tot hoog gelegeerd en moeten slijtvaster en taaier zijn dan het te bewerken staal [83](#page=83).
* **Standaard Gereedschapsstaal (maatvast, slijtvast, taai, warmvast):** Gebruikt voor diverse gereedschappen zoals draadsnijgereedschappen, kapmessen, profielwalsen, trekgereedschappen, persvormen en snijstempels. Ondergaat gemakkelijk thermische behandelingen [83](#page=83).
* **Standaard Gereedschapsstaal (lage hardingstemperatuur):** Zeer goede maatbestendigheid en lage hardingstemperatuur. Taai en snedebehoudend, bijzonder geschikt voor gereedschappen met moeilijke vormen, zoals gecompliceerde snijplaten, snijstempels, draadsnijgereedschappen en draadkalibers [83](#page=83).
* **Gereedschapsstaal (stoot- en drukbestendig):** Bijzonder bestand tegen stoot- en drukbelastingen. Toegepast voor hoogwaardige ponsnippels, stansgereedschappen, uitstootpennen en houtbewerkingsgereedschappen [83](#page=83).
---
# Gegoten materialen: gietstaal en gietijzer
Gegoten materialen omvatten gietstaal en diverse varianten van gietijzer, die worden geproduceerd door vloeibaar metaal in een mal te gieten om complexe onderdelen te vormen [84](#page=84) [85](#page=85).
### 8.1 Gietstaal
Gietstaal wordt gebruikt voor de productie van ingewikkelde onderdelen zoals pomphuizen, pompwaaiers, reductiekasten en motorblokken, en ook kleinere auto-onderdelen. Ongelegeerd, laag- en hooggelegeerd staal wordt hiervoor in vloeibare toestand in een gietvorm gegoten. De gietvorm is het negatief van het te gieten stuk, zowel inwendig als uitwendig [84](#page=84).
Gietstaal heeft een minder dichte structuur dan gewalst staal, waardoor het iets minder sterk is. De giettemperatuur is relatief hoog, rond de 1600°C, wat resulteert in een grovere structuur. Na het stollen vertoont het onderdeel een grofkorrelige, naaldvormige structuur, de kenmerkende Widmannstättenstructuur [84](#page=84).
Deze ongunstige structuur kan worden verbeterd door middel van een gloeibehandeling, het normaalgloeien. In tegenstelling tot gietijzer is gietstaal las- en smeedbaar. Afhankelijk van het koolstofgehalte zijn alle warmtebehandelingen mogelijk [84](#page=84).
Gietstaal wordt aangeduid met een letter- en cijfercode, vergelijkbaar met gewalste stalen. Het symbool is AMGS (Aciers Moulés en GietStaal) en wordt gevolgd door twee getallen gescheiden door een koppelteken. Het eerste getal geeft de minimale rekgrens aan en het tweede getal de minimale treksterkte, beide uitgedrukt in daN/mm² of kN/cm² [84](#page=84).
### 8.2 Gietijzer
Gietijzer wordt eveneens gebruikt voor het maken van ingewikkelde delen. Gietijzer is een Fe-C-mengsel met een koolstofgehalte hoger dan 1,7%, meestal tussen 2,4% en 4%C. Net als bij staal bevat het kleine hoeveelheden Mn, Si, S en P. Gietijzer heeft een lager smeltpunt dan gietstaal [85](#page=85).
Het is een relatief goedkoop materiaal dat wordt verkregen door het samensmelten van ruwijzer en gietijzer- en/of staalschroot. Het smeltproces vindt plaats in een koepeloven, een soort verkleinde hoogoven. Tijdens het smelten worden de basisproducten gezuiverd en het koolstofgehalte geregeld. Specifieke legeringselementen kunnen worden toegevoegd om gelegeerd gietijzer te verkrijgen. Naast de koepeloven kunnen reverbeer-, draai- of elektrische ovens worden gebruikt voor speciale soorten gietijzer [85](#page=85).
Door het hoge koolstofgehalte heeft gietijzer een lager smeltpunt van ±1200°C en is het gemakkelijker te gieten. Bij het stollen van staal blijft koolstof gebonden als cementiet, maar bij gietijzer scheidt de overvloedige koolstof zich eerst af, waardoor het koolstofgehalte daalt en de rest als cementiet stolt. De vrije koolstof vormt grafiet, dat normaal in lamellenvorm aanwezig is, wat resulteert in een grijsblauwe breukoppervlakte. Dit wordt grijs gietijzer genoemd [86](#page=86).
Het proces kan ook worden gestuurd zodat vrijwel alle koolstof gebonden blijft als cementiet, wat resulteert in wit gietijzer met een breukoppervlak dat meer dat van staal benadert. Als koolstof zich als vrije grafiet afscheidt, verschuiven de stollingslijnen iets hoger in het ijzer-koolstofdiagram, in wat het stabiele systeem wordt genoemd omdat er na het stollen geen omzettingen meer plaatsvinden. Als koolstof zich afscheidt als cementiet, spreekt men van het labiele systeem, omdat de cementiet onder omstandigheden kan ontleden in ijzer en grafiet [86](#page=86).
De koolstofafscheiding (grafiet of cementiet) hangt grotendeels af van het silicium- en mangaangehalte. Silicium bevordert grafietafscheiding, terwijl mangaan cementietvorming bevordert. In mindere mate zijn het koolstofgehalte en de afkoelsnelheid van belang; een hoog koolstofgehalte en langzame afkoeling bevorderen grafietafscheiding, wat leidt tot grijs gietijzer [86](#page=86).
#### 8.2.1 Wit gietijzer
Wit gietijzer bevat veel mangaan en weinig silicium, zodat vrijwel alle koolstof zich afscheidt als cementiet. Het materiaal bevat veel koolstof, en de structuur is cementiet-ledeburietisch. Snel afkoelen, bijvoorbeeld door te gieten in stalen vormen (coquilles) of met schrikplaten, voorkomt dat de koolstof zich kan afzonderen. Hierdoor vormt zich cementiet, wat resulteert in wit gietijzer [87](#page=87).
Door het hoge gehalte aan zeer harde cementietcarbiden is het breukvlak wit, zeer hard, maar bros. De slijtvastheid is uitermate goed, maar het materiaal is moeilijk of niet te verspanen. Wit gietijzer wordt toegepast voor mondstukken van zandstraalpijpen of in agressieve milieus, voor steenbrekers en baggermateriaal [87](#page=87).
Het is mogelijk om in een gietstuk een verschillende structuur te verkrijgen. Door in zand te gieten (langzame afkoeling) en op plaatsen die hard en slijtvast moeten zijn schrikplaten te plaatsen, stolt het materiaal lokaal als wit gietijzer vanwege de hogere afkoeling. De plaatsen die in contact komen met het zand worden langzaam afgekoeld en stollen als het taaiere grijs gietijzer [87](#page=87).
#### 8.2.2 Grijs gietijzer
In grijs gietijzer is de koolstof afgescheiden als vrije grafiet. Tijdens de trage afkoeling heeft de koolstof zich kunnen afscheiden in de vorm van relatief lange lamellen die de structuur doorkruisen. Dit heeft een nadelige invloed op de kerfslagwaarde, de treksterkte en de rek, maar het zorgt wel voor een zelfsmerend effect [88](#page=88).
De grondmassa waarin het grafiet zich bevindt kan verschillend zijn. Als alle koolstof zich heeft kunnen afzonderen in lamellen, is de grondmassa ferrietisch. Als een deel nog gebonden is aan ijzer, spreekt men van ferritisch-perlitisch grijs gietijzer. Als relatief veel koolstof nog chemisch gebonden is, spreekt men van perlietisch grijs gietijzer. De mechanische eigenschappen worden beter naarmate de grafiet fijner verdeeld is en de grondmassa betere eigenschappen heeft [88](#page=88).
##### 8.2.2.1 Ferrietisch grijs gietijzer
Indien de omstandigheden tijdens het stollen zodanig zijn dat alle koolstof zich kan afzonderen, is de grondmassa ferrietisch. De ferrietische structuur wordt dooraderd door grafietlamellen. Dit gietijzer is niet geschikt voor grote trekspanningen vanwege de dooradering door grafietlamellen. Het is echter zeer goed bewerkbaar, de spanen breken gemakkelijk en de vrije grafiet zorgt voor een zelfsmerend effect. Het is ook trillingsdempend. Ferrietisch grijs gietijzer wordt gebruikt als er geen al te grote belastingen worden verwacht, bijvoorbeeld voor tegengewichten en roosters [89](#page=89).
##### 8.2.2.2 Ferritisch-perlitisch grijs gietijzer
Als de omstandigheden tijdens het stollen cementietvorming (binding van koolstof aan ijzer) toelaten, ontstaat ferritisch-perlitisch grijs gietijzer. Een deel van de koolstof is chemisch gebonden en vormt perliet, bestaande uit afzonderlijke plaatjes cementiet en ferriet. De aanwezigheid van perliet verhoogt de hardheid en treksterkte van de grondmassa. Dit type gietijzer heeft betere mechanische eigenschappen en blijft nog steeds zelfsmerend door de vrije grafiet. Het wordt gebruikt voor onderdelen die enige mechanische weerstand moeten bieden, zoals riemschijven en lagerhuizen [89](#page=89).
##### 8.2.2.3 Perlietisch grijs gietijzer
Wanneer de grondmassa volledig uit perliet bestaat, heeft het gietijzer een hoge treksterkte en slijtageweerstand. Het perliet is verantwoordelijk voor de sterkte, en de aanwezige grafiet zorgt voor het zelfsmerend effect. Het wordt toegepast voor machineonderdelen met hogere mechanische eisen, zoals grote ketting- en tandwielen, tandwielkasten, klauwplaten en machineframes [89](#page=89).
Mangaan en silicium lossen grotendeels op in ferriet. In gietijzer is het Mn- en Si-gehalte hoger, wat resulteert in een hogere hardheid en verbeterde slijtageweerstand. In combinatie met het smeer effect van grafietlamellen is gietijzer om twee redenen slijtagebestendig. Door de lagere smelttemperatuur en kleinere krimp ten opzichte van staal is het gemakkelijker te gieten. Gietijzer dempt trillingen beter dan staal en is corrosiebestendiger. Om deze redenen wordt het gebruikt voor machineframes. Gietijzerconstructies kunnen beter drukspanningen dan trekspanningen opnemen [90](#page=90).
#### 8.2.3 Smeedbaar gietijzer
Smeedbaar gietijzer is beter vervormbaar dan grijs gietijzer, maar is niet werkelijk smeedbaar. Het mangaan- en siliciumgehalte is zodanig dat wit gietijzer ontstaat. Deze harde en brosse gietstukken ondergaan vervolgens een gloeibehandeling, waarbij twee kenmerkende behandelingen resulteren in verschillende gietijzersoorten met specifieke eigenschappen [91](#page=91).
##### 8.2.3.1 Amerikaans smeedbaar gietijzer (Zwart smeedbaar gietijzer of tempergietijzer)
De gietstukken worden in een neutrale atmosfeer (in zand) verpakt en langdurig geloeid. Hierdoor ontleedt de cementiet in ferriet en grafietvlokken, wat resulteert in een zwart breukoppervlak. In tegenstelling tot de lamellengrafiet in grijs gietijzer, ontstaat hier een grafietafscheiding onder de vorm van vlokken, waardoor de structuur minder onderbroken en niet meer dooraderd is met grafiet [91](#page=91).
Het gietijzer is sterker en vooral taaier, met een hogere treksterkte dan perlietisch grijs gietijzer dat praktisch geen rek heeft. De ferrietische grondmassa zorgt voor een slechtere slijtageweerstand dan perlietisch grijs gietijzer, maar het is goed verspaanbaar. Amerikaans smeedbaar gietijzer wordt gebruikt voor onderdelen die hoge mechanische eigenschappen vereisen, zoals hefbomen, drijfstangen, tandwielen en koppelingsdelen [91](#page=91).
##### 8.2.3.2 Europees smeedbaar gietijzer (Wit smeedbaar gietijzer of frisijzer)
De harde, brosse gietstukken worden in een zuurstofrijk milieu op 950°C langdurig gegloeid. De koolstof uit de cementiet wordt geoxideerd, waardoor het materiaal aan de oppervlakte ontkoold. Dit resulteert in een beter vervormbaar gietijzer met een wit breukoppervlak. De ontkoling kan slechts een beperkte diepte bereiken (ongeveer 5mm), waardoor dit geschikt is voor dunwandige stukken. Door de ontkoling is het materiaal goed vervormbaar, uitstekend te lassen en goed verspaanbaar. Europees smeedbaar gietijzer wordt gebruikt voor dunwandige onderdelen zoals fittingen, bochten, sleutels en verbindingsstukken [92](#page=92).
#### 8.2.4 Nodulair gietijzer
De vorm van de grafiet heeft een grote invloed op de mechanische eigenschappen van gietijzer. Bij Amerikaans smeedbaar gietijzer werd grafiet in vlokken verkregen na een dure gloeibehandeling. Nodulair gietijzer bereikt dit echter vanuit de smeltfase [93](#page=93).
Door toevoeging van magnesium en/of cerium aan de gietijzersmelt wordt de grafiet ingekapseld tot bolvormige grafietnodullen. Afhankelijk van de basisstructuur kan dit ferrietisch tot perlietisch nodulair gietijzer zijn, wat de hardheid, treksterkte, rek en slijtageweerstand sterk beïnvloedt [93](#page=93).
De treksterkte en rek van nodulair gietijzer zijn beter dan die van Amerikaans smeedbaar gietijzer en vergelijkbaar met die van staal. Het wordt gebruikt wanneer gegoten onderdelen schokvast moeten zijn. Nodulair gietijzer blijft goed gietbaar, is beter lasbaar dan grijs gietijzer, goed verspanbaar en heeft goede loopeigenschappen door de aanwezigheid van grafiet [93](#page=93).
#### 8.2.5 Gelegeerd gietijzer
Om bijzondere eigenschappen te bekomen, kan gietijzer, net als staal, worden gelegeerd. Door toevoeging van specifieke legeringselementen kunnen speciale gietijzersoorten slijtvaster, corrosievaster of hittebestendiger worden gemaakt [94](#page=94).
##### Mechanite
Mechanite is een speciale gietijzersoort, in feite een grijs gietijzersoort waarbij de grafietlamellen fijner verdeeld zijn. Het behoudt de voordelen van grijs gietijzer, maar heeft betere mechanische eigenschappen door de fijnere grafietlamellen [94](#page=94).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Materiaalkunde | De wetenschap die zich bezighoudt met de structuur, eigenschappen, verwerking en toepassingen van materialen. |
| Mechanische eigenschappen | Eigenschappen van een materiaal die betrekking hebben op zijn weerstand tegen vervorming en breuk onder invloed van uitwendige krachten, zoals treksterkte, hardheid en taaiheid. |
| Trekproef | Een materiaaltest waarbij een proefstuk wordt uitgerekt tot breuk om de treksterkte, vloeigrens en rek te bepalen. |
| Kerfslagproef | Een materiaaltest waarbij een proefstuk met een kerf wordt gebroken door een slag met een slinger om de taaiheid van het materiaal te meten, vooral bij lage temperaturen. |
| Hardheidsmeting | Een test om de weerstand van een materiaal tegen permanente deformatie door penetratie te bepalen, met methoden zoals Rockwell, Vickers en Brinell. |
| Microscopisch onderzoek | Het bestuderen van de microstructuur van een materiaal met behulp van een microscoop om kristalstructuren, korrelgrenzen en defecten te analyseren. |
| Ultrasoononderzoek | Een niet-destructieve testmethode die gebruikmaakt van ultrasone geluidsgolven om interne defecten in materialen te detecteren. |
| Rekstrookmeting | Een methode om de rek in een materiaal te meten met behulp van een rekstrookje dat is bevestigd aan het oppervlak van het object. |
| 3D-printer | Een apparaat dat driedimensionale objecten opbouwt laag voor laag vanuit een digitaal ontwerp, vaak met kunststoffen zoals ABS, PLA of PVA. |
| 3D-scannen | Het digitaal vastleggen van de driedimensionale vorm van een object met behulp van speciale scanners. |
| Metalen | Materiaalclassificatie gekenmerkt door elektrische en thermische geleidbaarheid, ductiliteit en glans, bestaande uit atomen met een metaalbinding. |
| Keramische materialen | Materialen die bestaan uit metaal- en niet-metaalverbindingen, zoals oxiden, nitriden, carbiden en boriden, gekenmerkt door hardheid, brosheid en hittebestendigheid. |
| Polymeren | Grote moleculen (kunststoffen) opgebouwd uit herhalende eenheden (monomeren), onderverdeeld in thermoplasten, thermoharders en elastomeren. |
| Composieten | Materialen die zijn samengesteld uit twee of meer verschillende componenten met aanzienlijk verschillende fysische of chemische eigenschappen die, wanneer gecombineerd, resulteren in een materiaal met eigenschappen die niet die van de individuele componenten zijn. |
| Halfgeleiders | Materialen met een elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider en een isolator, essentieel voor elektronische componenten. |
| Biomaterialen | Materialen die worden gebruikt in contact met biologische systemen om een medische uitkomst te evalueren, behandelen, vergroten of vervangen. |
| Vloeibare kristallen | Stoffen die eigenschappen vertonen tussen die van een conventionele vloeistof en een vaste kristallijne stof, vaak gebruikt in beeldschermen. |
| Smart materials (Slimme materialen) | Materialen die hun eigenschappen kunnen veranderen als reactie op externe stimuli zoals temperatuur, licht, vochtigheid of elektrische velden. |
| Metaalmoeheid (vermoeiing) | Het fenomeen waarbij een materiaal faalt onder herhaalde cyclische belasting, zelfs als de spanningen onder de uiteindelijke treksterkte blijven. |
| Wöhlerkromme (vermoeiingskromme) | Een grafiek die de relatie tussen de spanning en het aantal belastingscycli tot breuk weergeeft voor een bepaald materiaal. |
| Resonantie | Een verschijnsel waarbij een systeem oscilleert met een versterkte amplitude wanneer de frequentie van een aangelegde externe kracht overeenkomt met een van de natuurlijke resonantiefrequenties van het systeem. |
| Ruwijzer | Het product verkregen uit de hoogoven, met een hoog koolstofgehalte (ongeveer 4%) en onzuiverheden, dat verder verwerkt wordt tot staal of gietijzer. |
| Hoogoven | Een industriële oven gebruikt voor de productie van ijzer uit ijzererts, waarbij cokes als reductiemiddel en brandstof fungeert. |
| Slak | Een bijproduct van het hoogovenproces, gevormd door de reactie van toeslagstoffen (zoals kalksteen) met onzuiverheden uit het erts. |
| Staalbereiding | Het proces waarbij ruwijzer wordt geraffineerd door koolstof en andere onzuiverheden te verwijderen of te verminderen om staal te verkrijgen. |
| Affinage | Een fase in de staalbereiding waarbij zuurstof wordt toegevoegd om onzuiverheden te oxideren en te verwijderen. |
| Raffinage | Een fase in de staalbereiding waarbij legeringselementen worden toegevoegd om de gewenste staalkwaliteit te bereiken. |
| LD-convertor (Oxistaalconvertor) | Een convertor die pure zuurstof gebruikt om ruwijzer te verfijnen tot staal, met name voor hoogwaardige staalsoorten. |
| Siemens-Martin oven | Een oven gebruikt voor staalbereiding, waarbij een hete gasvlam wordt gebruikt om het metaal te smelten en te verfijnen. |
| Elektro-oven | Een oven die elektrische energie gebruikt om metaal te smelten en te verfijnen, geschikt voor hooggelegeerde staalsoorten. |
| Gietvormen (coquilles) | Vormen waarin gesmolten staal wordt gegoten om stalen blokken of halffabrikaten te produceren. |
| Continugietproces | Een proces waarbij gesmolten staal direct wordt gegoten en gewalst tot halffabrikaten, zonder tussenliggende stappen van stolling tot grote blokken. |
| Gekalmeerd staal | Staal waaraan desoxidantia zijn toegevoegd om gasvorming tijdens het stollen te voorkomen, wat resulteert in een rustigere stolling en minder onzuiverheden. |
| Desoxidantia | Stoffen die worden toegevoegd om zuurstof uit gesmolten metaal te verwijderen. |
| Geplateerd staal | Staal dat onzuiverheden bevat in lagen, wat resulteert in een verminderde sterkte en hechting tussen de lagen, veroorzaakt door segregatie tijdens het stollen. |
| Warmgewalst staal | Staal dat boven de herkristallisatietemperatuur is gewalst, wat resulteert in taaiheid en ductiliteit, maar ook een walshuid. |
| Koudgewalst staal | Staal dat onder de herkristallisatietemperatuur is gewalst, wat resulteert in een hogere sterkte, hardheid en een gladder oppervlak, maar ook brosheid. |
| Walskorst (oxidehuid) | Een laag oxidemateriaal die zich vormt op het oppervlak van warmgewalst staal. |
| Beitsen (Decaperen) | Een proces waarbij metaaloppervlakken worden gereinigd met zuren om walshuid, roest of andere onzuiverheden te verwijderen. |
| Koudversteviging | Een proces waarbij een metaal wordt versterkt door plastische deformatie bij kamertemperatuur, wat resulteert in een hogere sterkte en hardheid. |
| Kristalvorming | Het proces waarbij atomen of moleculen zich rangschikken in een geordende, driedimensionale structuur tijdens het stollen van een vloeistof of neerslag. |
| Elementaire cel | De kleinste herhalende eenheid van een kristalrooster. |
| Ferriet (α-Fe) | Een kristalstructuur van ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, kenmerkend voor koolstofarm ijzer. |
| Austeniet (γ-Fe) | Een kristalstructuur van ijzer met een kubisch vlakken gecentreerd rooster, aanwezig bij hogere temperaturen en in staat om meer koolstof op te lossen. |
| Hexagonaal kristal | Een kristalstructuur met een zeshoekige grondcel. |
| Polykristallijn | Materiaal bestaande uit meerdere kristallen met verschillende oriëntaties. |
| Glijvlakken | Vlakken in een kristalrooster waarlangs atomen kunnen verschuiven onder belasting. |
| Vloeien | Plastische deformatie van een materiaal waarbij atoomlagen langs elkaar schuiven. |
| Mengkristallen | Kristallen gevormd door de oplossing van atomen van verschillende metalen of elementen in elkaar, waarbij ze ofwel de plaats van het basismetaal innemen (substitutioneel) of zich ertussen plaatsen (interstitieel). |
| Substitutionele mengkristallen | Mengkristallen waarbij de atomen van het opgeloste element de plaats innemen van de atomen van het basismetaal in het kristalrooster. |
| Interstitiële mengkristallen | Mengkristallen waarbij de atomen van het opgeloste element zich in de tussenruimtes van het kristalrooster van het basismetaal bevinden. |
| Fe-C-diagram | Een fasediagram dat de evenwichtsverhoudingen tussen ijzer en koolstof bij verschillende temperaturen en concentraties weergeeft. |
| Liquidus | De lijn in een fasediagram die de temperatuur aangeeft waaronder een stof volledig vloeibaar is. |
| Solidus | De lijn in een fasediagram die de temperatuur aangeeft waaronder een stof volledig vast is. |
| Hefboomregel | Een regel die wordt gebruikt om de verhouding van twee fasen (bv. vloeistof en vaste stof) in een binaire legering bij een bepaalde temperatuur en samenstelling te berekenen. |
| Perliet | Een microstructuur in staal bestaande uit afwisselende lamellen van ferriet en cementiet, gevormd bij de eutectoïde omzetting. |
| Cementiet (Fe3C) | Een harde intermetallische verbinding van ijzer en koolstof, met een hoog koolstofgehalte (ongeveer 6.67%). |
| Eutectoïde | Een peritectische reactie die plaatsvindt bij een enkele temperatuur en samenstelling, waarbij een vaste stof ontleedt in twee andere vaste stoffen, ofwel twee vaste stoffen samen smelten tot één andere vaste stof. |
| Eutectic | Een peritectische reactie die plaatsvindt bij een enkele temperatuur en samenstelling, waarbij een vloeistof overgaat in twee verschillende vaste fasen. |
| Ledeburiet | Een eutecticum in het Fe-C-diagram, bestaande uit austeniet en cementiet. |
| Thermische behandelingen | Processen waarbij de microstructuur en eigenschappen van een materiaal worden gewijzigd door gecontroleerde verhitting en afkoeling. |
| Harden | Een thermische behandeling waarbij staal tot boven de transformatietemperatuur wordt verhit en vervolgens snel wordt afgekoeld om een harde martensietstructuur te verkrijgen. |
| Martensiet | Een zeer harde en brosse microstructuur in staal, gevormd door snelle afkoeling vanuit de austenietfase. |
| Ontlaten | Een thermische behandeling waarbij gehard staal wordt verhit tot een relatief lage temperatuur om inwendige spanningen te verminderen en de brosheid te temperen, zonder de hardheid significant te verlagen. |
| Spanningsvrij gloeien | Een thermische behandeling om inwendige spanningen in metaalonderdelen te verminderen, vaak na bewerkingen zoals lassen of koudvervormen. |
| Veredelen | Een thermische behandeling waarbij staal na het harden wordt verhit tot een hogere temperatuur dan ontlaten, wat leidt tot een gunstige combinatie van sterkte en taaiheid. |
| Sorbiet | Een microstructuur in staal bestaande uit fijne bolletjes cementiet in een ferrietmatrix, gevormd door veredelen. |
| Normaal gloeien | Een thermische behandeling om de korrelstructuur van staal te verfijnen en mechanische eigenschappen te verbeteren, vooral na processen zoals gieten of lassen. |
| Zachtgloeien | Een thermische behandeling waarbij staal wordt verhit om de hardheid te verminderen, de ductiliteit te verhogen en de verspaanbaarheid te verbeteren, vaak ter voorbereiding op verdere bewerkingen. |
| Cementeren (carboneren) | Een oppervlaktebehandeling waarbij koolstof in de buitenste laag van staal wordt diffunderen om een harde, slijtvaste laag te creëren, terwijl de kern taai blijft. |
| Nitreren | Een oppervlaktebehandeling waarbij stikstof in de buitenste laag van gelegeerd staal wordt gediffundeerd om een zeer harde en slijtvaste laag te vormen. |
| Staalnormalisatie | Het proces van het toepassen van normen om staalsoorten en -kwaliteiten te classificeren en te specificeren. |
| Euro-norm | Een Europese norm die wordt gebruikt om de materiaalaanduiding van staal te harmoniseren. |
| Werkstofnummer (DIN-nomering) | Een nummer dat een specifieke staalsoort identificeert, oorspronkelijk ontwikkeld volgens de Duitse DIN-norm. |
| Roestvast staal (RVS) | Een staalsoort die minimaal 11% chroom bevat, wat het corrosiebestendig maakt. |
| Ferritisch staal | Roestvast staal met een ferrietische microstructuur, die goede corrosieweerstand biedt maar niet hardbaar is door warmtebehandeling. |
| Martensitisch staal | Roestvast staal dat kan worden gehard door warmtebehandeling, met een hoge sterkte en slijtvastheid. |
| Austenitisch staal | Roestvast staal met een austenietische microstructuur, dat zeer taai is, ook bij lage temperaturen, en niet magnetisch is. |
| Duplex roestvast staal | Roestvast staal met een gemengde ferrietisch-austenietische structuur, dat de voordelen van beide combineert, zoals hoge sterkte en corrosieweerstand. |
| Hittevast staal | Staalsoorten die hun sterkte en corrosieweerstand behouden bij verhoogde temperaturen. |
| Slijtvast staal | Staalsoorten met een hoog koolstofgehalte en legeringselementen die zorgen voor hoge hardheid en weerstand tegen slijtage. |
| Lasersnijstaal | Staalsoorten die specifiek zijn ontworpen voor lasersnijden, met hoge zuiverheid en lage interne spanningen. |
| Verenstaal | Staalsoorten met een hoge elasticiteitsgrens en vermoeiingsweerstand, gebruikt voor veren en veerelementen. |
| Automatenstaal | Staalsoorten met een hoge verspaanbaarheid, ontworpen voor gebruik in automatische bewerkingsmachines. |
| Blankstaal | Staal dat na een koude nabewerking een glad en blank uiterlijk heeft, met verbeterde toleranties en oppervlaktegesteldheid. |
| Veredelstaal | Stalen die na het harden worden veredeld om een optimale combinatie van sterkte en taaiheid te bereiken. |
| Gietstaal | Staal dat in gesmolten toestand in een vorm wordt gegoten om complexe onderdelen te produceren. |
| Gietijzer | Een ijzer-koolstoflegering met een koolstofgehalte hoger dan 1.7%, gekenmerkt door goede gietbaarheid en dempende eigenschappen. |
| Wit gietijzer | Gietijzer waarin de koolstof gebonden is als cementiet, wat resulteert in een hard, bros en slijtvast materiaal. |
| Grijs gietijzer | Gietijzer waarin de koolstof zich afscheidt als vrije grafietlamellen, wat resulteert in een materiaal met goede dempende eigenschappen en bewerkbaarheid. |
| Smeedbaar gietijzer | Gietijzer dat door een gloeibehandeling beter vervormbaar is gemaakt, hoewel het nog steeds niet smeedbaar is. |
| Nodulair gietijzer | Gietijzer waarin de grafiet is ingekapseld in bolvormige nodules, wat resulteert in verbeterde mechanische eigenschappen, vergelijkbaar met die van staal. |
| Gelegeerd gietijzer | Gietijzer waaraan legeringselementen zijn toegevoegd om specifieke eigenschappen te verbeteren, zoals slijtvastheid of corrosiebestendigheid. |
| Mechanite | Een speciale gietijzertoepassing die de voordelen van grijs gietijzer combineert met betere mechanische eigenschappen door een fijnere grafietverdeling. |
Cover
1_Mediatechnologie-syllabus-v43.pdf
Summary
# Introductie tot mediatechnologie en de historische evolutie ervan
Mediatechnologie omvat alle technieken en systemen die informatie en communicatie vastleggen, bewerken, verspreiden en opnieuw beleefbaar maken, en dit niet alleen op het niveau van software en toestellen, maar ook op het niveau van de onderliggende principes en bouwstenen [8](#page=8).
### 1.1 Mediatechnologie en communicatie
Mediatechnologie staat ten dienste van communicatie, die begint bij het waarnemen van prikkels via zintuigen, waarna deze prikkels betekenis krijgen door interpretatie (vormgeving). Deze interpretatie kent twee dimensies [8](#page=8):
1. **Rationele interpretatie**: Het ontcijferen van prikkels volgens duidelijke afspraken, zoals het herkennen van vormen en kleuren [8](#page=8).
2. **Emotionele interpretatie**: De subjectieve ervaring van prikkels, die emoties zoals geluk of angst kan oproepen en moeilijk in vaste regels te vatten is [8](#page=8).
Het uiteindelijke doel is een boodschap die het publiek tot een gewenste handeling aanzet. Mediatechnologie kan zowel rationele als emotionele aspecten van communicatie beïnvloeden [9](#page=9).
### 1.2 Een korte geschiedenis
De ontwikkeling van nieuwe mediatechnologieën heeft telkens diepgaande maatschappelijke veranderingen teweeggebracht, de toegang tot kennis beïnvloed, de circulatiedeling van informatie bepaald en machtsverhoudingen verschoven [9](#page=9).
#### 1.2.1 Van klank naar schrift
* **De stem en percussie als eerste media**: De menselijke stem was het eerste communicatiemiddel, maar had een beperkt bereik. Percussie-instrumenten, zoals trommels, werden gebruikt om signalen over grotere afstanden te versturen, en met "talking drums" kon men zelfs klankpatronen imiteren die menselijke taal benaderden [9](#page=9).
* **De uitvinding van het schrift**: Rond 3000 v.C. ontwikkelden beschavingen in Mesopotamië en Egypte de eerste schrijfsystemen (spijkerschrift en hiërogliefen). Dit maakte het mogelijk informatie buiten het geheugen op te slaan, wat een revolutie betekende voor het vastleggen van wetten, belastingen, contracten en religieuze tradities, en de basis legde voor de ontwikkeling van kennis. Geschreven bronnen vormen de basis voor ons historisch begrip, waarbij periodes met schrift een grotere consensus kennen dan prehistorische periodes waarvoor men afhankelijk is van interpretatie van archeologische vondsten [10](#page=10).
* **Rosetta**: De Rosetta-steen, ontdekt in 1799, bevat dezelfde tekst in drie schriften: hiërogliefen, demotisch en Grieks. Dankzij het beheerste Grieks konden de andere schriften ontcijferd worden, wat de toegang tot het oude Egypte opende. De steen symboliseert hoe technologie communicatie door de tijd heen bewaart en ontsluit. Het benadrukt ook de uitdaging van toegankelijkheid van data op lange termijn; digitale dragers zoals SSD's of oude magneetbanden kunnen in de toekomst onleesbaar worden, in tegenstelling tot eenvoudige middelen zoals pen en papier [11](#page=11) [12](#page=12).
* **Macht en exclusiviteit**: Vanaf het begin was bezit van mediatechnologie gelijk aan macht. Het schrift was aanvankelijk voorbehouden aan een elite (priesters, ambtenaren, koningen), waardoor het grote publiek werd buitengesloten. Pas met democratische revoluties en algemeen onderwijs werd geletterdheid een breed maatschappelijk goed, wat burgers toegang gaf tot kennis en hun positie versterkte [12](#page=12).
#### 1.2.2 De drukpers (15e eeuw)
Johannes Gutenberg's uitvinding van de drukpers rond 1450 maakte efficiënte reproductie van tekst en beeld mogelijk [12](#page=12).
* **Impact op kennisverspreiding**: De drukpers democratiseerde de toegang tot informatie, waardoor grote groepen mensen dezelfde teksten konden lezen. Dit leidde tot de brede verspreiding van religieuze teksten, ideeën van hervormers en nieuwe wetenschappelijke kennis [12](#page=12).
* **Tegenstand en censuur**: De gevestigde macht (vooral de kerk) probeerde informatieverspreiding te beperken via censuur, maar de massale verspreiding bleek moeilijk te controleren. Dit versterkte kritisch denken en religieuze/politieke bewegingen. De angst van machthebbers voor ongecontroleerde communicatie is vandaag de dag nog steeds zichtbaar in dictaturen waar het internet aan banden wordt gelegd [13](#page=13).
* **De vierde macht**: De drukpers leidde tot de opkomst van de pers als instrument om publieke opinie te vormen en machthebbers ter verantwoording te roepen, wat resulteerde in de erkenning van de pers als "vierde macht". De perskaart werd bedacht als instrument voor bescherming en toegang voor journalisten, hoewel het respect voor het vrije woord anno 2025 onder druk staat [13](#page=13).
#### 1.2.3 Fotografie en film (19e eeuw)
De fotografie, uitgevonden in de eerste helft van de 19e eeuw, bood de mogelijkheid om de werkelijkheid "objectief" vast te leggen [13](#page=13).
* **Beeld als waarheid**: Foto's werden lange tijd beschouwd als ultiem bewijs ("een foto liegt niet"). De beeldcultuur deed zijn intrede, eerst bij de elite en later bij het brede publiek, en met de opkomst van digitale fotografie en smartphones is beeld norm geworden in dagelijkse communicatie. Film maakte massacommunicatie krachtiger door beweging te registreren en bioscopen te creëren waar miljoenen mensen dezelfde verhalen zagen [14](#page=14).
* **Eerste foto**: De eerste foto, "Zicht door een venster in Le Gras", werd in 1826 of 1827 genomen door Joseph Nicéphore Niépce met behulp van bitumen van Judea op een tinnen plaat. Na een lange belichtingstijd werd de werkelijkheid mechanisch en permanent vastgelegd. De techniek werd later door Louis Daguerre verder ontwikkeld tot de daguerreotypie. Niépce's uitvinding betekende een wetenschappelijke doorbraak die de manier waarop we de werkelijkheid waarnemen en bewaren blijvend zou beïnvloeden [14](#page=14) [15](#page=15).
* **Manipulatie van beelden**: Het werd al snel duidelijk dat beelden niet altijd neutraal waren en gemanipuleerd konden worden. Voorbeelden hiervan zijn geretoucheerde foto's van Stalin waarin rivalen werden verwijderd en propaganda tijdens de wereldoorlogen. Vóór digitale bewerking bestond, wisten we al dat beelden niet altijd betrouwbaar waren. Met de huidige mediatechnologie, inclusief AI, is manipulatie eenvoudiger dan ooit en is de foto geen bewijs van de werkelijkheid meer [15](#page=15) [16](#page=16).
#### 1.2.4 Computer en internet (20e eeuw)
De 20e eeuw kenmerkte zich door digitalisering, waarbij tekst, beeld en geluid omgezet konden worden in binaire data (nullen en enen), wat eindeloze kopieën zonder kwaliteitsverlies mogelijk maakte [16](#page=16).
* **Het internet**: Ontwikkeld als ARPANET, groeide het internet vanaf de jaren '90 uit tot een wereldwijd platform voor snelle en brede informatie-uitwisseling. De netwerkarchitectuur was ontworpen om communicatie niet afhankelijk te maken van een specifieke verbinding, waardoor kabelonderbrekingen automatisch omzeild konden worden. Na een periode als exclusief militair en wetenschappelijk instrument, werd het internet snel door de hele wereld gebruikt, wat leidde tot een nieuwe "virtuele" economie en samenleving [16](#page=16) [17](#page=17).
* **De smartphone**: Vanaf 2007 bracht de smartphone een revolutie teweeg, waarbij informatie overal en altijd beschikbaar werd. Communicatie werd bidirectioneel, met burgers die niet alleen ontvangers maar ook zenders van informatie werden, en sociale media gaven hen een wereldwijd hoorbaar stem. Deze afhankelijkheid maakte ons echter ook kwetsbaar voor storing, hacking en censuur [18](#page=18).
#### 1.2.5 Artificiële intelligentie (21e eeuw)
De 21e eeuw brengt artificiële intelligentie (AI) als een nieuw kantelpunt, waarbij we rechtstreeks communiceren met niet-menselijke systemen die mensentaal kunnen begrijpen en produceren [18](#page=18).
* **Nieuwe mogelijkheden**: AI kan teksten schrijven, beelden genereren en video's maken, wat ongeziene mogelijkheden biedt voor creativiteit, efficiëntie en innovatie, en nieuwe vormen van storytelling en productie opent voor mediaprofessionals [18](#page=18).
* **Nieuwe vragen**: AI stelt echter ook fundamentele vragen over het onderscheiden van echt van nep (deepfakes), wie de macht heeft over de technologie, en wat de impact is op vertrouwen in media en menselijke communicatie [18](#page=18).
De geschiedenis van mediatechnologie toont een wisselwerking tussen technische innovatie, maatschappelijke verandering en machtsverhoudingen, waarbij beheersing van deze technologie de macht geeft om de samenleving te beïnvloeden. De focus ligt op de creatieve kracht van mediatechnologie en hoe deze ingezet kan worden om de samenleving vooruit te helpen [18](#page=18).
---
# Fundamenten van elektriciteit en ICT
Dit deel legt de basisprincipes van elektriciteit en ICT uit, van het binaire systeem tot de componenten van een pc [19](#page=19).
### 2.1 Elektriciteit: de kracht achter mediatechnologie
Elektriciteit is de beweging van geladen deeltjes, elektronen, door een geleider. Dit kan vergeleken worden met water dat door een leiding stroomt [19](#page=19).
#### 2.1.1 Spanning, stroom en vermogen
* **Spanning (Volt - V):** De "druk" van de elektriciteit. Hogere spanning is vergelijkbaar met een hogere watertoren. In België is de netspanning voor woningen 400V en 230V [19](#page=19).
* **Stroom (Ampère - A):** De hoeveelheid elektriciteit die tegelijkertijd kan stromen. Dikke kabels kunnen meer stroom geleiden dan dunne [19](#page=19).
* **Vermogen (Watt - W):** Het product van spanning en stroom ($P = V \times A$). Een hoog vermogen betekent dat een apparaat veel energie nodig heeft [19](#page=19).
> **Tip:** Zorg ervoor dat een adapter minstens evenveel ampère kan leveren als je toestel nodig heeft. De spanning moet echter wel exact kloppen, anders kan het toestel beschadigd raken [19](#page=19).
#### 2.1.2 Wisselstroom (AC) en Gelijkstroom (DC)
* **Wisselstroom (AC - Alternating Current):** De stroom die uit het stopcontact komt. In Europa is dit 230V met een frequentie van 50 Hz (de richting wisselt 50 keer per seconde) [20](#page=20).
* **Gelijkstroom (DC - Direct Current):** Stroom die steeds in dezelfde richting vloeit. Batterijen, USB-aansluitingen en laptops werken hiermee [20](#page=20).
Een adapter zet wisselstroom om naar gelijkstroom voor apparaten zoals laptops [20](#page=20).
#### 2.1.3 Veiligheid
Laagspanning gelijkstroom (bv. 5V via USB) is doorgaans veilig. Hoogspanning wisselstroom uit een stopcontact kan echter levensgevaarlijk zijn. Dit is vergelijkbaar met water onder druk: een drinkrietje is ongevaarlijk, een hogedruk tuinslang kan verwondingen veroorzaken [20](#page=20).
#### 2.1.4 Praktisch gebruik in de mediawereld
In de mediawereld wordt veel gebruik gemaakt van wisselstroom, vooral voor grote evenementen waar generatoren stroom produceren. Grote regiewagens en geluidsinstallaties vragen veel vermogen [20](#page=20).
##### 2.1.4.1 Driefasige systemen
Naast enkelvoudige stroomkringen bestaan er ook driefasige systemen. Hierbij worden drie spanningen van 230V, telkens 120 graden verschoven, gecombineerd, resulterend in 400V driefase. Dit maakt efficiënt transport en verdeling van grote vermogens mogelijk [20](#page=20).
> **Tip:** Bij grote events is samenwerking met gespecialiseerde technici cruciaal vanwege de gevaren van verkeerd aansluiten [20](#page=20).
Verschillen tussen landen zijn belangrijk: Europa gebruikt 230V/50Hz, Noord-Amerika 110V/60Hz. Sommige voedingen zijn "multivoltage" en passen zich automatisch aan [21](#page=21).
##### 2.1.4.2 Stekkers en aansluitingen
Professionele omgevingen gebruiken vaak andere stekkers dan thuis:
* **PowerCON:** Steviger en veiliger, met vergrendeling en duidelijke in/uitgangen (blauw voor in, grijs voor uit). Vaak gebruikt bij professionele verlichting en mobiele toepassingen [21](#page=21) [22](#page=22).
* **CEE-stekkers:** Voor zeer grote vermogens, herkenbaar aan hun rode ronde vorm, vaak driefasig in 16 of 32 ampère. Ronde CEE-stopcontacten verdelen driefase wisselstroom [21](#page=21) [22](#page=22).
* **Blauwe stopcontacten:** Robuuste 230V voor 1 fase, voor hoge vermogens [22](#page=22).
* **Zwarte stopcontacten:** 230V voor kleine vermogens, vergelijkbaar met thuisstopcontacten [22](#page=22).
**Veelgebruikte wisselspanningen (AC):** [22](#page=22).
| Spanning (V) | Fases | Stroom (A) | Vermogen (kW) | Toepassing |
| :-------------- | :---- | :--------- | :------------ | :--------------------------------------------------- |
| 400 | 3 | 64 | 44 | Grote regiewagen, festivalhoofdpodium, evenementenhal |
| 400 | 3 | 32 | 32 | PA-installatie, grote lichtbrug, kookfornuis, laadpunt elektrische auto |
| 230 | 1 | 32 | 7.4 | Licht- en geluidset, kleine mobiele catering, foodtruck |
| 230 | 1 | 20 | 4.6 | Kleine PA-set, projectoren, opnamemateriaal |
| 230 | 1 | 16 | 3.7 | Standaard huishoudelijk circuit |
#### 2.1.5 DC in de mediawereld
Hoewel grote distributie van stroom via AC loopt, werkt interne elektronica van toestellen vaak op DC. Laptops werken op 19V DC, camera's op 7,4V of 12V DC, LED-lampen op 12V of 24V DC [23](#page=23).
##### 2.1.5.1 Batterijen en powerbanks
* **Professionele batterijen:** V-Mount en Gold-Mount zijn gebruikelijk voor camera's en verlichting, leveren hoge stromen en zijn makkelijk verwisselbaar [23](#page=23).
* **Consumentenbatterijen:** Merkgebonden accu's zoals NP- en LP-series voor camera's [23](#page=23).
* **USB Powerbanks:** Leveren 5V DC, maar moderne USB-C powerbanks kunnen via Power Delivery hogere spanningen (9V, 12V, 20V) leveren [23](#page=23).
**Veelgebruikte gelijkspanningen (DC):** [23](#page=23).
| Spanning (V) | Stroom (A) | Vermogen (W) | Toepassing |
| :----------- | :--------- | :----------- | :------------------------------------------- |
| 24 | 5 | 120 | Grote ledslangen, professionele LED-panelen |
| 19 | 3 | 60 | Adapter van gemiddelde laptop |
| 12 | 5 | 60 | Ledpanelen fotostudio, camera-accessoires |
| 5 | 2 | 10 | Smartphones, USB-apparaten, USB-laders |
#### 2.1.6 Lithium-ion batterijen
Lithium-ion batterijen slaan veel energie op in een klein volume en zijn licht. Risico's omvatten ontbranding of explosie bij overladen, beschadiging of verkeerde behandeling. Een opgezwollen batterij moet onmiddellijk vervangen worden [23](#page=23).
Lood-zuur accu's (vaak 12V DC) worden gebruikt in startbatterijen van auto's en in back-upvoedingen (UPS - Uninterruptible Power Supply). Deze houden apparatuur kortstondig onder spanning bij stroomuitval [24](#page=24).
#### 2.1.7 Veelvoorkomende problemen
Problemen met apparatuur liggen verrassend vaak bij de voeding (adapter, kabel, accu) en niet bij het toestel zelf [24](#page=24).
> **Tip:** Controleer altijd eerst de voeding of probeer een ander exemplaar als een toestel niet werkt [24](#page=24).
Universele adapters kunnen een handige noodoplossing zijn [24](#page=24).
### 2.2 ICT begrijpen: de digitale wereld
ICT (Informatie- en Communicatietechnologie) omvat computers, netwerken, opslag en cloudtoepassingen [25](#page=25).
#### 2.2.1 Het binaire fundament
Alle ICT steunt op een binair tel- en rekensysteem (0 en 1). Dit is gebaseerd op het onderscheid tussen aan/uit elektrische signalen, wat betrouwbaar en goedkoop is [25](#page=25).
* **Decimaal stelsel:** Telt met tien symbolen (0-9) [25](#page=25).
* **Binair stelsel:** Telt met twee symbolen (0 en 1) [25](#page=25).
**Voorbeeld:** Het binaire getal 101 is in decimaal: $(1 \times 2^2) + (0 \times 2^1) + (1 \times 2^0) = 4 + 0 + 1 = 5$ [25](#page=25).
* **Bit:** Een binair cijfer (0 of 1) [25](#page=25).
* **Byte:** 8 bits, genoeg voor één karakter (bv. een letter) [25](#page=25).
Computers verwerken tekst, beeld, geluid en video als combinaties van nullen en enen [25](#page=25).
#### 2.2.2 De PC als Zwitsers zakmes
Een computer is een samenstelling van onderdelen die samenwerken [26](#page=26).
* **CPU (Central Processing Unit):** Het "brein" van de computer, voert instructies uit. Snelheid en aantal kernen bepalen de prestaties [26](#page=26).
* **GPU (Graphics Processing Unit):** De grafische specialist, ontworpen voor herhalende berekeningen zoals pixelweergave. Cruciaal voor video, 3D en AI [26](#page=26).
* **RAM (Random Access Memory):** Het "werkgeheugen" waar actieve programma's en data tijdelijk staan. Meer RAM betekent vlottere multitasking [26](#page=26).
* **Opslag (SSD vs. HDD):**
* **HDD (Hard Disk Drive):** Klassieke harde schijf, voordelig en ruim, maar traag en gevoelig [26](#page=26).
* **SSD (Solid State Drive):** Gebaseerd op geheugenchips, razendsnel, stil en robuuster, maar duurder [26](#page=26).
> **Tip:** Gebruik SSD's voor het besturingssysteem en actieve projecten, HDD's voor archief of back-ups. Maak altijd back-ups [27](#page=27).
* **Voeding en koeling:** De PSU (Power Supply Unit) in desktops zet netspanning om. Laptops gebruiken een batterij en adapter. Overmatige warmte van CPU en GPU vereist ventilatoren of koelblokken [27](#page=27).
> **Tip:** Gebruik laptops op harde, vlakke ondergronden om luchtinlaten niet te blokkeren [27](#page=27).
* **Poorten en aansluitingen:**
* **USB (Universal Serial Bus):** Een universele standaard voor randapparatuur [27](#page=27).
* USB 2.0 (traag) [27](#page=27).
* USB 3.x (sneller, vaak blauwe poorten) [27](#page=27).
* USB4 (tot 40 Gbit/s, combineert data, video, stroom) [27](#page=27).
* **Stekkers:** USB-A, USB-B, Micro-USB, USB-C (hedendaagse standaard) [27](#page=27).
* **Opslagmedia (extern):**
* **USB-stick:** Handig voor snelle overdracht, maar beperkt in snelheid en duurzaamheid [27](#page=27).
* **SD-kaart:** Gebruikt in camera's, geluidsrecorders, drones. Snelheidsklassen zijn cruciaal voor video [28](#page=28).
* **Formaten:** SD, miniSD, microSD [28](#page=28).
* **Capaciteit:** SDSC (tot 2GB), SDHC (2-32GB), SDXC (32GB-2TB), SDUC (tot 128TB). SDXC is standaard voor hedendaagse productie [28](#page=28).
* **Snelheidsklassen:** Class (C2-C10), UHS Speed Class (U1, U3), Video Speed Class (V6-V90). V90 is essentieel voor 8K en professionele opnames [28](#page=28).
> **Tip:** Voor mediastudenten is het belangrijk de V-klasse van SD-kaarten te kennen [28](#page=28).
* **UHS-bus:** UHS-I (tot 104 MB/s), UHS-II (tot 312 MB/s), UHS-III (tot 624 MB/s), SD Express (tot 985 MB/s) [28](#page=28).
> **Tip:** Een UHS-II V90-kaart is de gouden standaard voor professionele video [29](#page=29).
* **Externe SSD:** Snel, draagbaar, ideaal voor videoprojecten [27](#page=27).
**Toepassingen per mediagebruik (SD-kaarten):** [29](#page=29).
* Fotografie (gewoon): C10 / U1 / V10
* Burst fotografie: UHS-II + V30 of hoger
* Full HD-video: Class 10, U1 of V10
* 4K-video (30 fps): U3 of V30
* 4K/6K high frame rate: V60
* 8K-video / RAW-video: V90
* 360°-video/drones: V60 of V90
* Audio (recorder): minstens Class 10 of U1
**Kwetsbaarheid en levensduur SD-kaarten:** Slijtage door beperkt aantal schrijfcycli, gevoelig voor vocht, hitte, statische elektriciteit [29](#page=29).
> **Tip:** Gebruik meerdere kleinere kaarten, formatteer in de camera, bescherm contactpunten, kies betrouwbare merken [29](#page=29).
* **Videoverbindingen:** HDMI, DisplayPort, Thunderbolt (USB-C), SDI (professionele standaard) [29](#page=29).
* **Randapparatuur:** Input (toetsenbord, muis, camera, microfoon), Output (beeldscherm, printer, luidsprekers) [30](#page=30).
* **Draadloze verbindingen:**
* **Bluetooth:** Draadloos voor korte afstanden, vereist pairing [30](#page=30).
* **WiFi:** Draadloos internet, verbindt meerdere apparaten met een router [30](#page=30).
* **Factoren die kwaliteit beïnvloeden:** Afstand, obstakels, interferentie, aantal gebruikers [30](#page=30).
* **2,4 GHz vs. 5 GHz:**
* **2,4 GHz:** Groter bereik, makkelijker door muren, trager, meer interferentie. Geschikt voor basis taken en verder van de router [31](#page=31).
* **5 GHz:** Kleiner bereik, sneller, minder interferentie. Ideaal voor data-intensieve taken dicht bij de router [31](#page=31).
> **Tip:** Plaats de router centraal, vermijd obstakels. Gebruik 5 GHz voor snelheid en 2,4 GHz voor bereik. Gebruik extenders of mesh-systemen voor grote woningen [31](#page=31).
#### 2.2.3 De verbonden ICT-wereld
* **Client/server-architectuur:** Gebruiker (client) vraagt informatie van een centrale computer (server). Dit geldt voor websites, e-mail, streaming en cloudopslag [32](#page=32).
* **Lokaal vs. Cloud:** Software kan lokaal (op het toestel) of in de cloud (op externe servers) draaien [32](#page=32).
* **Peer-to-peer (P2P):** Apparaten werken rechtstreeks met elkaar samen, elke deelnemer is zowel client als server. Voorbeelden: BitTorrent, vroege Skype [33](#page=33).
* **Opslag op smartphones:** Standaard interne opslag, uitbreidbaar met geheugenkaart. Synchronisatie met cloud (iCloud, Google Drive, OneDrive) is handig voor back-ups [33](#page=33).
> **Tip:** Stel smartphones in om media automatisch naar een cloudmap te uploaden [33](#page=33).
* **Redundantie en back-ups:** Informatie op meerdere plaatsen bewaren is cruciaal. Werk nooit enkel op één medium [33](#page=33).
#### 2.2.4 Architectuur van enkele gekende ICT-omgevingen (in 2025)
* **Microsoft 365 (M365):** Integreert lokale applicaties (Word, Excel) met cloudopslag (OneDrive, SharePoint) en samenwerkingstools (Teams) [34](#page=34).
* **SharePoint:** Platform binnen M365 voor document- en informatiebeheer binnen teams. Bestanden staan centraal in de cloud [34](#page=34).
* **OneDrive:** Persoonlijke cloudopslag van Microsoft, synchroniseert met lokale apparaten [34](#page=34).
* **Discord:** Communicatieplatform (tekst, spraak, video) dat werkt via een client/server-model met centrale servers van Discord [34](#page=34).
* **Slack:** Professionele communicatie- en samenwerkingstool, client/server-model met centrale servers van Slack [35](#page=35).
* **GitHub:** Platform voor projectbeheer en versiebeheer, combineert gedistribueerde opslag (Git) met centrale coördinatie [35](#page=35).
* **Microsoft Teams:** Samenwerkingsplatform dat data centraal bewaart in SharePoint en OneDrive [35](#page=35).
* **Google Drive / Docs:** Cloudopslag en online toepassingen (Docs, Sheets) die volledig in de cloud draaien op Google servers [35](#page=35).
* **Notion:** Cloud-gebaseerde tool voor notities, databanken en projectbeheer. Masterdata staat altijd in de cloud [36](#page=36).
#### 2.2.5 Troubleshooting (algemeen principe)
Wanneer een toestel niet werkt, is de voeding vaak het probleem. Het controleren van de stroomtoevoer (stekker, adapter, kabel, batterij) is de eerste stap [24](#page=24).
---
# Van analoog naar digitaal en de verwerking van beeld en geluid
Dit deel behandelt de omzetting van analoge signalen naar digitale data, inclusief sampling, quantizing en codering, en verkent de kenmerken van digitale beelden, resolutie, bitdiepte en bestandsformaten.
## 3. Van analoog naar digitaal
Computers, smartphones, camera's, beeldschermen en digitale drukpersen werken met de concepten analoog en digitaal om de werkelijkheid voor te stellen en te verwerken [37](#page=37).
### 3.1 Analoog
Analoog verwijst naar het direct waarnemen van de werkelijkheid met onze zintuigen, wat resulteert in een vloeiend, oneindig variabel spectrum. Het woord 'analoog' komt van het Oudgriekse 'análogos' en betekent "overeenkomstig" of "evenredig". Onze zintuigen nemen analoge signalen op, maar hebben limieten in hun waarnemingsvermogen [37](#page=37).
### 3.2 Digitaal
Digitaal komt van het Latijnse 'digitus' (vinger) en betekent dat een continu verschijnsel wordt vertaald in discrete getallen. Computers kunnen alleen getallen (nullen en enen) verwerken, dus omzetting is noodzakelijk. Daarna moet het digitale signaal terug worden omgezet naar een analoge vorm voor menselijke waarneming [37](#page=37) [38](#page=38).
#### 3.2.1 Mogelijkheden van digitalisering
In een digitale omgeving kunnen beelden en klanken onbeperkt gekopieerd, gecombineerd, gefilterd en getransformeerd worden met algoritmes, wat in een analoge wereld nauwelijks mogelijk is. Het begrijpen van de omzetting van analoge signalen naar digitale vorm is de kern van mediatechnologie [38](#page=38).
### 3.3 Omzetting van analoog naar digitaal
De omzetting van een analoog signaal naar een digitaal signaal verloopt in drie stappen: sampling, quantizing en codering [38](#page=38).
#### 3.3.1 Sampling
Sampling (bemonstering) meet de hoogte van een signaal (bijvoorbeeld een geluidsgolf) op verschillende momenten in de tijd en noteert deze waarden. Hoe meer metingen per tijdseenheid, hoe meer informatie wordt opgeslagen en hoe nauwkeuriger de digitalisering [39](#page=39).
#### 3.3.2 Quantizing
Quantizing bepaalt de nauwkeurigheid waarmee een waarde aan een sample kan worden toegekend. Een groter aantal mogelijke waarden voor elke sample resulteert in een juistere digitale weergave van de golfvorm, maar met verlies van precisie vergeleken met het origineel [40](#page=40).
#### 3.3.3 Codering
Codering is de derde stap waarbij de waarde van elke sample in binaire code wordt opgeslagen. Vaak worden hierbij wiskundige formules gebruikt om de data compacter te maken, bijvoorbeeld door alleen het verschil met de vorige sample op te slaan. Dit resulteert in verschillende bestandsformaten zoals WAV, MP3 voor geluid, en TIFF, JPEG voor beelden [40](#page=40).
### 3.4 Verschillende woorden voor dezelfde dingen
Afhankelijk van het toepassingsdomein worden verschillende termen gebruikt voor vergelijkbare concepten [41](#page=41).
#### 3.4.1 Sample en pixel
Een 'sample' is het kleinste onderdeel van een digitale geluidsgolf. Bij beelden spreekt men van een 'pixel' (picture element). De 'resolutie' van een beeld geeft aan uit hoeveel pixels het is opgedeeld. De 'bitdiepte' (of bit depth) bepaalt het aantal mogelijke waarden dat aan elke sample of pixel kan worden gegeven (bijvoorbeeld het aantal kleuren) [41](#page=41).
### 3.5 Gevolgen van digitalisering
Critiek op kwaliteitsverlies door digitalisering was vroeger terecht vanwege beperkte technologie, maar is tegenwoordig grotendeels onterecht. Echter, digitale bewerkingen met beperkte nauwkeurigheid kunnen leiden tot kwaliteitsverlies, zoals het 'banding'-effect bij zonsondergangen, waarbij vloeiende kleurovergangen worden vervangen door gekleurde banden. Dit kan worden vermeden door met een hogere nauwkeurigheid dan nodig te registreren [41](#page=41) [42](#page=42).
### 3.6 Signaal en ruis
Kwaliteitsverslechtering wordt vaak veroorzaakt door bewerkingen die het signaal vervormen of door neveninformatie (ruis). De signaal-ruisverhouding (S/N) geeft de nauwkeurigheid aan waarmee een technologie onderscheid kan maken tussen het gewenste signaal en storingen. Een goede signaal-ruisverhouding is cruciaal voor digitale signalen om zuiver te zijn [42](#page=42).
### 3.7 Analoog of digitaal?
De keuze tussen analoog en digitaal beïnvloedt niet alleen de techniek, maar ook de creatieve werkwijze en de beleving. Artistieke keuzes voor analoge technieken (zoals film of vinyl) kunnen een uniek karakter opleveren. In commerciële contexten speelt de kostprijs een belangrijke rol bij de keuze. Mediastudenten moeten leren afwegen wanneer analoog of digitaal te kiezen en hoe dit de boodschap, kosten en beleving beïnvloedt [43](#page=43).
## 4. Licht en kleuren, tekening en beeld
### 4.1 Waarnemen van kleur
Kleur is een zintuiglijke gewaarwording als gevolg van een visuele prikkel en geen fysische eigenschap van een voorwerp. Bij kleurwaarneming spelen drie parameters een rol: lichtbron, voorwerp en de waarnemend persoon (oog + hersenen) [44](#page=44).
#### 4.1.1 Lichtbron
Een lichtbron zet energie om in licht- of stralingsenergie. Natuurlijk licht, zoals zonlicht, is samengesteld uit meerdere golflengten die samen wit licht vormen. Kleur is een natuurkundig verschijnsel binnen het elektromagnetisch spectrum. Ons oog kan slechts een beperkt deel van dit spectrum zien: het zichtbare licht, van ongeveer 380 nm (violet) tot 750 nm (rood) [44](#page=44) [45](#page=45).
##### 4.1.1.1 Drie kleurgebieden: rood, groen, blauw
Onderzoekers hebben ontdekt dat de oneindige reeks golflengten gereduceerd kan worden tot drie kleurgebieden: rood, groen en blauw (RGB). Door deze onderling te moduleren, kunnen vrijwel alle kleuren worden gereproduceerd, en bij gelijke modulatie ontstaat wit licht [46](#page=46).
##### 4.1.1.2 Spectrale verdeling
De spectrale verdeling beschrijft de intensiteit van de golflengten die een lichtbron uitzendt, wat bepaalt hoe het 'wit' licht eruitziet. Polychromatisch licht is samengesteld uit meerdere golflengten, terwijl monochromatisch licht uit één golflengte bestaat (bv. laserlicht) [46](#page=46).
##### 4.1.1.3 Normlicht
Om over kleur en licht te communiceren, zijn lichtstandaarden voor 'wit licht' vastgelegd, zoals lichtsoort A, B, C, D50 en D65 [46](#page=46).
##### 4.1.1.4 Kleurtemperatuur in Kelvin
Kleurtemperatuur, uitgedrukt in Kelvin (K), beschrijft de tint van wit licht op een schaal van warm (lage temperatuur, bv. 2700 K) naar koel (hoge temperatuur, bv. 6500 K). Dit concept is afgeleid van black body-straling, waarbij een object bij verhitting licht uitzendt dat van kleur verandert met de temperatuur. Het wordt toegepast in fotografie, belichting en bij schermen [46](#page=46) [47](#page=47).
#### 4.1.2 Voorwerp
De kleur van een voorwerp wordt bepaald door de reflectie of transmissie van licht. Een voorwerp absorbeert een deel van het invallende licht; de gereflecteerde of doorgelaten stralen bepalen de waargenomen kleur. De kleur van een voorwerp is het overlappende gebied van de spectrale stralingsverdeling van de lichtbron en de reflecterende of doorgelaten stralingsverdeling van het voorwerp [48](#page=48).
##### 4.1.2.1 Opzicht en doorzicht
'Opzicht' is wanneer we kleur zien door lichtreflectie van een object (bv. een appel). 'Doorzicht' is wanneer we kleur zien doordat licht door een object schijnt (bv. dia's, filters) [47](#page=47).
#### 4.1.3 Het oog als kleurdetector
Het menselijk oog functioneert als een biologische lichtsensor. Licht komt binnen via het hoornvlies en de lens, en wordt geregistreerd op het netvlies door fotoreceptoren: staafjes en kegeltjes [49](#page=49).
* **Staafjes:** Zeer gevoelig voor licht, onderscheiden geen kleuren, verantwoordelijk voor zicht in het donker (grijstinten) [49](#page=49).
* **Kegeltjes:** Reageren op verschillende golflengtes en zijn verantwoordelijk voor kleurenzicht. Er zijn drie soorten: rood-, groen- en blauwgevoelig [49](#page=49).
Ons brein combineert de signalen van deze drie kegeltjes voor 'trichromatisch zicht', waardoor we miljoenen kleuren kunnen waarnemen. In zwakke belichting schakelen we over op staafjes, wat resulteert in minder kleurwaarneming [49](#page=49).
##### 4.1.3.1 Kleurenblindheid
Afwijkingen aan de kegeltjes kunnen leiden tot kleurenblindheid, waarbij kleur niet correct wordt geregistreerd [50](#page=50).
#### 4.1.4 Interpretatie van de zintuiglijke prikkel door de hersenen
De interpretatie van kleur door de hersenen is subjectief en kan worden beïnvloed door aanpassing, omgevingskleur en eerdere ervaringen [50](#page=50).
#### 4.1.5 Kleurordening
Mensen ordenen kleuren meestal volgens drie parameters: kleurtoon (hue), verzadiging (saturation) en helderheid (brightness) [50](#page=50).
### 4.2 Reproductie van kleur
Om kleuren te manipuleren, wordt gewerkt met primaire kleuren die gecombineerd worden tot andere kleuren. De keuze van deze primaire kleuren hangt af van of kleur wordt gemaakt met licht (additief) of met pigment (subtractief) [50](#page=50).
#### 4.2.1 Additieve kleurenmenging (RGB)
Bij additieve kleurenmenging worden rood, groen en blauw (RGB) als hoofdkleuren gebruikt. Hoe hoger de waarden van deze drie, hoe meer licht er wordt gecreëerd, en samen leveren ze wit licht op. De combinatie van deze kleuren leidt tot secundaire kleuren: geel (R+G), cyaan (G+B), en magenta (B+R). Een klassieke 8-bit waarde per kanaal maakt 256x256x256 = 10,6 miljoen kleuren mogelijk. Digitale foto's worden opgenomen via beeldsensoren die pixels registreren voor rood, groen en blauw. Uitvoerapparaten zoals LED-schermen werken ook op basis van RGB [51](#page=51).
#### 4.2.2 Substractieve kleurenmenging (CMYK)
Bij pigmenten (inkt, verf) worden cyaan, magenta en geel (CMY) als hoofdkleuren gebruikt. In theorie leveren deze kleuren zwart op, maar in de praktijk ontstaat een donkerbruin of grijs resultaat door onzuiverheden en inkttypes. Daardoor wordt in het drukproces vaak een vierde kleur, zwart (K - key), toegevoegd tot CMYK. De combinatie van CMY-kleuren leidt tot secundaire kleuren: blauw (C+M), rood (M+Y), en groen (Y+C) [52](#page=52).
#### 4.2.3 Voorbeelden en bijzonderheden
##### 4.2.3.1 Lichtfilters
Een klassiek experiment toont het verschil: drie filters (rood, groen, blauw) na elkaar in een lichtstraal produceren zwart (subtractief); drie lampen (rood, groen, blauw) naast elkaar produceren wit licht (additief) [53](#page=53).
##### 4.2.3.2 Praktische voorbeelden
* **Schermen:** Televisies, monitors en projectoren werken additief (RGB-pixels) [53](#page=53).
* **Drukwerk:** Printers gebruiken CMYK [53](#page=53).
* **Theaterbelichting:** Werkt additief [53](#page=53).
* **Verf mengen:** Schilderen werkt substractief [53](#page=53).
### 4.3 Kleurbeheer of colormanagement
Kleuren kunnen verschillen op verschillende outputapparatuur, zoals monitors en printers. Dit komt doordat elke outputapparatuur slechts een deel van alle zichtbare kleuren kan weergeven, beschreven in een 'kleurenruimte' of 'gamut' [53](#page=53).
#### 4.3.1 Kleurenruimte en gamut
Een kleurenruimte is de wiskundige beschrijving van de reeks kleuren die een systeem kan produceren. Een gamut is het bereik van kleuren dat een systeem kan maken. Kleuren buiten het gamut kunnen niet correct worden weergegeven [53](#page=53) [54](#page=54).
##### 4.3.1.1 Wetenschappelijke beschrijving van kleurruimte
Een kleur kan wetenschappelijk eenduidig worden gecodeerd binnen een kleurenruimte. Het CIE 1931-kleurdiagram, dat tint en verzadiging weergeeft in 2D, illustreert de kleurenruimte als een hoefijzervorm. Een specifiek gamut (zoals sRGB of AdobeRGB) wordt voorgesteld als een driehoek binnen dit diagram [54](#page=54).
##### 4.3.1.2 Belang van kleurenruimtes
Inzicht in kleurenruimtes is cruciaal voor mediaprofessionals om kleurverschillen tussen apparaten te begrijpen, bewuste keuzes te maken bij werkruimtes (bv. sRGB, Adobe RGB) en verrassingen bij aflevering te voorkomen [55](#page=55).
##### 4.3.1.3 Standaardkleurenruimten
* **sRGB:** Standaard voor internet en de meeste schermen, breed ondersteund maar met een beperkt gamut [55](#page=55).
* **Adobe RGB:** Breder gamut dan sRGB, veel gebruikt in fotografie, vereist compatibele software [55](#page=55).
* **CMYK:** Standaard voor drukwerk, kleuren kunnen niet altijd zonder verlies naar RGB worden geconverteerd [55](#page=55).
* **ProPhoto RGB:** Zeer breed gamut, gebruikt in professionele fotografie voor maximale bewerkingsruimte [55](#page=55).
##### 4.3.1.4 Lab kleursysteem
Het Lab kleursysteem is een universeel, driedimensionaal kleurenruimte dat kleuren wiskundig rangschikt met coördinaten (a-as, b-as, Lightness). Het maakt berekeningen mogelijk, zoals het bepalen van kleurverschillen met Delta E (Delta E00) [55](#page=55) [56](#page=56).
#### 4.3.2 Conversie tussen kleurenruimten
Kleuren kunnen worden geconverteerd met behulp van ICC-kleurprofielen. Om een efficiënt conversiesysteem te hebben, wordt conversie vaak gedaan via een standaardkleurenruimte zoals Lab [56](#page=56).
### 4.4 Andere standaarden in kleurencommunicatie
Naast gestandaardiseerde kleurenruimtes bestaan er ook specifieke kleursystemen:
* **Pantone:** Een systeem met unieke nummers en mengrecepten om specifieke referentiekleuren vast te leggen, vooral gebruikt in de grafische industrie en daarbuiten. Pantone-kleuren kunnen buiten het CMYK-gamut vallen [57](#page=57).
* **RAL:** Een kleursysteem dat veel gebruikt wordt in de verf- en lakindustrie, met gestandaardiseerde tinten voor consistentie tussen materialen [57](#page=57).
* **Munsell:** Een wetenschappelijk systeem om kleur te beschrijven met tint, helderheid en verzadiging [58](#page=58).
* **CIE:** Definieert een universeel wiskundig model van kleurperceptie, waarop moderne kleurwetenschap en kleurenruimtes zijn gebaseerd [58](#page=58).
### 4.5 Kleurcodering in bits en bytes
Kleuren op een scherm worden digitaal opgeslagen in bits en bytes. Elke primaire kleur (R, G, B) krijgt een waarde [59](#page=59).
* **8-bit per kanaal:** Maakt 256 waarden mogelijk (0-255) [59](#page=59).
* **24-bit per pixel (8-bit per kanaal voor RGB):** Maakt 16,7 miljoen kleuren mogelijk ("True Color") [59](#page=59).
Kleuren kunnen ook in hexadecimale notatie worden geschreven, vooral in webdesign (bv. #FF0000 voor rood). Websafe kleuren waren een historische beperking op het internet, maar bits en bytes zijn de basis voor digitale kleurencodering [59](#page=59).
### 4.6 Samenvatting kleurafspraken
* **Kleurengamut:** Het bereik van kleuren dat een systeem kan maken [59](#page=59).
* **Kleurenruimte:** De wiskundige beschrijving van dat bereik (bv. sRGB) [59](#page=59).
* **Pantone, RAL:** Systemen die specifieke referentiekleuren vastleggen voor productieconsistentie [59](#page=59).
* **Kleurtemperatuur:** Beschrijft verschillende soorten wit licht [59](#page=59).
* **Websafe kleuren:** Een oude afspraak voor consistente kleurentoning op het internet [59](#page=59).
### 4.7 Digitale beelden
Digitale grafische ontwerpen kunnen worden onderverdeeld in vectorbeelden en pixelbeelden [60](#page=60).
#### 4.7.1 Vectorbeelden
Vectorbeelden zijn objectgerichte beelden, meestal het product van tekenprogramma's (bv. Adobe Illustrator). Ze beschrijven tekeningen als wiskundige berekeningen (lijnsegmenten, curven) en hebben geen inherente resolutie. Ze zijn ideaal voor tekeningen, lijnen en teksten die geschaald moeten worden zonder kwaliteitsverlies. Typische formaten zijn.ai,.pdf,.svg [60](#page=60).
#### 4.7.2 Pixelbeelden (of bitmapbeelden)
Pixelbeelden zijn digitale beelden die opgedeeld zijn in een raster van pixels. Ze zijn het product van beeldsensoren (digitale camera, scanner) of beeldverwerkingsprogramma's (bv. Adobe Photoshop). Deze beelden zijn resolutieafhankelijk; vergroten kan leiden tot kwaliteitsverlies en 'zaageffecten' door interpolatie. Ze worden gebruikt voor foto's, filtereffecten en schaduwen. Typische bestandsformaten zijn.PSD,.TIFF,.JPEG,.GIF,.PNG [60](#page=60) [61](#page=61).
### 4.8 Kenmerken van een digitaal beeld
#### 4.8.1 Pixels
Pixels zijn de kleinste eenheden waaruit een digitaal beeld is opgebouwd, elk met een toegewezen kleurwaarde [61](#page=61).
#### 4.8.2 Beeldresolutie
Beeldresolutie verwijst naar de onderlinge afstand van de pixels en wordt uitgedrukt in pixels per inch (ppi) of pixels per centimeter (ppcm). Een hogere resolutie betekent meer detail en een vloeiender beeld. Voor goede beeldkwaliteit mogen pixels niet waarneembaar zijn; een resolutie van ongeveer 250 of 300 ppi wordt vaak als norm gebruikt [61](#page=61).
#### 4.8.3 Toonresolutie, bitdiepte en pixeldiepte
Toonresolutie, ook wel pixeldiepte of bitdiepte (Bits Per Pixel - BPP) genoemd, is het aantal bits dat wordt gebruikt om één pixel weer te geven. Een grotere pixeldiepte maakt meer kleuren mogelijk [62](#page=62).
* 1 bit = 2 waarden (zwart of wit) [62](#page=62).
* 8 bits = 256 waarden (grijswaarden of kleur) [62](#page=62).
* 24 bits = 16,7 miljoen waarden (kleuren) [62](#page=62).
Een lagere bitdiepte dan 8 bits kan leiden tot toonsprongen (banding-effect). Meer dan 8 bits (bv. 16) levert uitstekende kwaliteit op, maar vergroot de bestandsgrootte aanzienlijk [62](#page=62).
* **Pixeldiepte vs. Bits per kanaal:** Pixeldiepte is het totale aantal bits per pixel. Een pixel bestaat uit kleurkanalen (bv. 3 voor RGB, 4 voor CMYK). Elke kleur wordt in 8 bits (of meer) vastgelegd (bits per kanaal). Een RGB-pixel bevat dus 3 kanalen x 8 bits = 24 bit aan kleurinfo [62](#page=62).
#### 4.8.4 Kleurkanalen
Digitale beelden hebben kleurkanalen: 1 kanaal (bitmap, grijswaarden), 2 kanalen (duotoon), 3 kanalen (RGB) of 4 kanalen (CMYK) [63](#page=63).
#### 4.8.5 Soorten pixelbeelden
Op basis van het aantal bits en kanalen worden beelden ingedeeld in bitmaps (1 bit, zwart/wit), grijswaardenbeelden (meer dan 1 bit, 1 kanaal) en kleurenbeelden (meer dan 1 kleurkanaal) [63](#page=63).
#### 4.8.6 Afbeeldingsgrootte
De afbeeldingsgrootte in pixels wordt bepaald door de resolutie en de gewenste kwaliteit bij weergave of afdruk. Het verhogen van de resolutie voor bijvoorbeeld drukwerk kan de fysieke afmetingen van het beeld verkleinen bij een gelijkblijvend aantal pixels. Nieuwe pixels berekenen via interpolatie kan beeldkwaliteit verminderen [63](#page=63).
#### 4.8.7 Transparantiekanaal (alfa kanaal)
Een alfakanaal (4e kanaal naast RGB) legt de transparantie van een pixel vast. Een alfa-waarde van 0 maakt een pixel volledig transparant, en een waarde van 255 maakt deze ondoorzichtig. Dit is nuttig voor animatie en beeldcomposities, en resulteert in bitmaps met 32 bits/pixel [64](#page=64).
### 4.9 Bestandsformaten
Er zijn twee hoofdtypen bestandsformaten: natieve en standaard [64](#page=64).
* **Natieve bestandsformaten:** 'Eigen' formaten van grafische software (bv..ai voor Adobe Illustrator,.psd voor Adobe Photoshop) die alle bewerkingsinformatie bewaren, maar grote bestandsgroottes hebben. Ze zijn ideaal voor tussentijds opslaan zolang maximale editeerbaarheid nodig is [64](#page=64).
* **Standaard bestandsformaten:** Geoptimaliseerd voor uitwisseling en integratie in alle software, met geoptimaliseerde bestandsgroottes [64](#page=64).
---
# Printtechnologie en de rol van kleur
Dit gedeelte introduceert de fundamentele principes van printtechnologie, met een focus op hoe kleuren worden gereproduceerd via rastering en kleurmenging, evenals een overzicht van kleurbeheer, kleurenruimtes en diverse druktechnieken.
### 4.1 Kleurperceptie en reproductie
Om kleuren te reproduceren, werken we met een beperkt aantal primaire kleuren die gecombineerd kunnen worden om een breed scala aan tinten te creëren. De keuze van deze primaire kleuren hangt af van de methode van kleuraanmaak: met licht (additief) of met pigment (substractief) [50](#page=50).
#### 4.1.1 Additieve kleurenmenging (RGB)
Additieve kleurenmenging maakt gebruik van rood, groen en blauw (RGB) als hoofdkleuren. Hoe hoger de waarden van deze drie componenten, hoe meer licht er wordt geproduceerd. De combinatie van alle drie levert wit licht op. De basismengingen zijn [51](#page=51):
* Rood + Groen = Geel [51](#page=51).
* Groen + Blauw = Cyaan [51](#page=51).
* Blauw + Rood = Magenta [51](#page=51).
Digitale foto's worden vastgelegd met beeldsensoren die gevoelig zijn voor rood, groen en blauw. Veel uitvoerapparaten voor beeld, zoals LED-schermen, werken ook op basis van RGB, waarbij pixels zelf licht emitteren in deze primaire kleuren. Een klassieke 8-bit waarde per kleurkanaal maakt ongeveer 10,6 miljoen kleuren mogelijk ($256 \times 256 \times 256$) [51](#page=51).
#### 4.1.2 Substractieve kleurenmenging (CMYK)
Bij pigmenten, zoals inkten en verf, worden cyaan, magenta en geel (CMY) als hoofdkleuren gebruikt. In theorie leveren deze samen zwart op, maar in de praktijk resulteert dit in een donkerbruin of grijs. De basismengingen zijn [52](#page=52):
* Cyaan + Magenta = Blauw [52](#page=52).
* Magenta + Geel = Rood [52](#page=52).
* Geel + Cyaan = Groen [52](#page=52).
CMY-inkten zijn transparant en werken als filters die delen van het licht absorberen en reflecteren, wat resulteert in de waargenomen kleur [52](#page=52).
#### 4.1.3 Het vierde kanaal: Zwart (K) in CMYK
In het drukproces wordt vaak een vierde kleur, zwart (K voor 'Key'), toegevoegd aan CMY om de volgende redenen [52](#page=52):
* **Dieper en zuiverder zwart:** De mengeling van CMY produceert in de praktijk zelden een echt diep zwart [52](#page=52).
* **Efficiëntie en kwaliteit:** Het gebruik van drie inktlagen voor zwart (met CMY) leidt tot overmatig inktgebruik, langere droogtijden, het toelopen van inkt en praktische problemen. Een aparte zwarte inkt zorgt voor scherpere details en tekst [52](#page=52).
> **Tip:** Het experiment met gekleurde filters illustreert het verschil tussen additieve en substractieve kleurmenging. Rode, groene en blauwe filters achter elkaar in een lichtstraal resulteren in zwart (licht wordt geabsorbeerd) terwijl dezelfde kleuren lampen naast elkaar gericht op hetzelfde punt wit licht produceren (licht wordt opgeteld) [53](#page=53).
### 4.2 Kleurbeheer en kleurenruimtes
#### 4.2.1 Kleurbeheer (Color Management)
Kleurbeheer is noodzakelijk omdat kleuren op verschillende outputapparaten (monitoren, printers) anders kunnen worden weergegeven. Elke apparaat kan slechts een deel van alle visueel zichtbare kleuren weergeven, wat wordt omschreven met een kleurenruimte of gamut [53](#page=53).
#### 4.2.2 Kleurenruimte en Gamut
* **Kleurenruimte (Color Space):** Een afspraak om alle mogelijke kleuren binnen een bepaald model te plaatsen en met getallen te beschrijven, zodat apparaten en software dezelfde taal spreken. Dit zorgt voor eenduidige kleurcodering [54](#page=54).
* **Gamut:** Het bereik van kleuren dat een systeem kan produceren of weergeven. Kleuren buiten het gamut van een apparaat kunnen niet correct worden weergegeven [53](#page=53).
* **Vorm van het kleurdiagram:** Kleur is een 3D-verschijnsel (tint, verzadiging, helderheid). In een 2D-diagram, zoals het CIE 1931-kleurdiagram, wordt de helderheid apart gehouden. De projectie resulteert in een hoefijzervormige figuur die het menselijke kleurenzicht (2D-projectie) weergeeft. De randen representeren spectrale kleuren, de onderkant niet-spectrale kleuren (zoals magenta), en het binnenste gebied mengkleuren. Een kleurgamut wordt in dit diagram voorgesteld als een driehoek binnen het hoefijzer [54](#page=54).
> **Tip:** Inzicht in kleurenruimtes en gamuts is cruciaal voor mediaprofessionals om te begrijpen waarom kleuren verschillen tussen scherm en drukwerk, bewuste keuzes te maken bij het instellen van werkruimtes (bv. sRGB, Adobe RGB, CMYK), en verrassingen bij het aanleveren van bestanden te voorkomen [55](#page=55).
#### 4.2.3 Standaardkleurenruimten
Om apparaten op elkaar af te stemmen, worden ze ingesteld op standaard kleurenruimtes [55](#page=55):
* **sRGB:** Standaard voor internet en de meeste schermen, ontwikkeld door Microsoft en HP. Heeft een beperkt, maar breed ondersteund gamut [55](#page=55).
* **Adobe RGB:** Breder gamut dan sRGB, vooral voor verzadigde groenen en cyaans. Gebruikt in fotografie en grafische workflows. Vereist compatibele software en schermen [55](#page=55).
* **CMYK (bv. Euroscale Coated V2):** Gebaseerd op substractieve kleurmenging, de standaard voor drukwerk. Kleuren van RGB kunnen soms niet zonder aanpassing worden omgezet naar CMYK [55](#page=55).
* **ProPhoto RGB (optioneel):** Zeer breed gamut, reikt zelfs buiten het zichtbare spectrum. Gebruikt in professionele fotografie voor maximale bewerkingsruimte [55](#page=55).
#### 4.2.4 Lab kleursysteem
Het Lab kleursysteem is een universeel, wetenschappelijk systeem dat kleuren wiskundig rangschikt met coördinaten voor l-waarde (lichtheid), a-as (groen-rood) en b-as (blauw-geel). Hiermee kan kleurverschil wetenschappelijk worden gemeten met de Delta E00-maat, die aangeeft hoe waarneembaar een kleurafwijking is [55](#page=55) [56](#page=56).
> **Delta E00 waarden:**
> * `< 1`: Niet waarneembaar [56](#page=56).
> * `1.00 - 2.00`: Met enige moeite waarneembaar [56](#page=56).
> * `2.00 - 3.00`: Zichtbaar [56](#page=56).
> * `> 3.00`: Significante afwijking [56](#page=56).
#### 4.2.5 Conversie tussen kleurenruimten
Kleuren kunnen worden geconverteerd tussen verschillende apparaten via ICC-kleurprofielen die de kleurenruimte van een apparaat vastleggen. Om de complexiteit van directe conversies te vermijden, wordt de conversie vaak via een standaardkleurenruimte zoals Lab berekend. Kalibratie van apparaten zorgt ervoor dat ze consistent hun input of output genereren [56](#page=56).
#### 4.2.6 Andere standaarden in kleurencommunicatie
Naast gestandaardiseerde kleurenruimtes bestaan er ook specifieke kleursystemen die referentiekleuren vastleggen voor consistentie [56](#page=56):
* **Pantone Matching System (PMS):** Codificeert kleuren met unieke nummers en mengrecepten, veel gebruikt in de grafische industrie om consistentie te waarborgen, ook voor kleuren buiten het CMYK-gamut [57](#page=57).
* **RAL:** Een Duits systeem dat gestandaardiseerde kleuren definieert, voornamelijk gebruikt in de verf- en lakindustrie, bouw en productontwerp om consistentie tussen materialen te garanderen [57](#page=57).
* **Munsell:** Ontwikkeld door Albert H. Munsell, een wetenschappelijk systeem om kleur te beschrijven met tint, helderheid en verzadiging [57](#page=57).
* **CIE:** De Commission Internationale de l'Éclairage definieerde een universeel wiskundig model van kleurperceptie, de basis voor moderne kleurwetenschap en kleurenruimtes [58](#page=58).
Deze standaarden tonen aan dat kleur niet enkel een fysisch fenomeen is, maar ook een culturele afspraak [58](#page=58).
#### 4.2.7 Kleurcodering in bits en bytes
Kleuren op schermen worden digitaal opgeslagen. Elke primaire kleur (R, G, B) krijgt een waarde. Bij 8-bit per kanaal kan elke kleur 256 waarden aannemen (0-255), wat resulteert in 16,7 miljoen kleuren (ook wel "True Color") [59](#page=59).
* Voorbeeld: RGB(255,0,0) is puur rood, RGB(0,0,0) is zwart, RGB(255,255,255) is wit [59](#page=59).
* Kleuren kunnen ook hexadecimaal worden gecodeerd, vooral in webdesign (bv. #FF0000 voor rood) [59](#page=59).
* Websafe kleuren (216 kleuren) waren een historische beperking in de vroege dagen van het internet om consistente kleurweergave op schermen met 256 kleuren te garanderen [59](#page=59).
#### 4.2.8 Samenvatting Kleurafspraken
* **Kleurengamut:** Het bereik van kleuren dat een systeem kan produceren [59](#page=59).
* **Kleurenruimte:** De wiskundige beschrijving van dat bereik (bv. sRGB, Adobe RGB) [59](#page=59).
* **Pantone, RAL:** Systemen die specifieke referentiekleuren vastleggen voor productieconsistentie, onafhankelijk van een gamut [59](#page=59).
* **Kleurtemperatuur:** Een manier om verschillende soorten wit licht te beschrijven [59](#page=59).
* **Websafe kleuren:** Een oude afspraak voor consistente kleurweergave op het internet [59](#page=59).
### 4.3 Rasteren in printtechnologie
Printtechnologie is een binair proces: er wordt ofwel inkt gedrukt of niet. Om alle kleurtonen te kunnen reproduceren met dit binaire proces, wordt gebruik gemaakt van rastering [69](#page=69).
#### 4.3.1 Het principe van rasteren
Rastering simuleert grijswaarden en kleurtonen door het afdrukken van kleine punten van verschillende groottes of met variërende afstanden op wit papier. Het menselijk oog, met een beperkt scheidend vermogen, interpreteert deze punten als een continue toon, vergelijkbaar met beeldresolutie in digitale beelden. De grootte van de rasterpunten, de afstand ertussen, en de kijkafstand bepalen mede de waarneming [69](#page=69).
#### 4.3.2 Vierkleurendruk of quadrichromie
In de druktechniek wordt gebruik gemaakt van subtractieve kleurmenging met de primaire inkten cyaan (C), magenta (M) en geel (Y). Door de toonwaarden van deze drie kleuren te combineren, kunnen 'alle' kleuren worden gegenereerd. Zwart (K) wordt als vierde kanaal toegevoegd voor een dieper en zuiverder zwart, en om praktische problemen met het mengen van CMY te omzeilen [70](#page=70).
#### 4.3.3 Rastertechnieken
Er zijn twee voornaamste rastertechnieken [70](#page=70):
* **AM (Amplitude Modulation) Raster:** De rasterpunten hebben een vaste afstand op een vast raster, maar hun grootte varieert om de toonwaarde te simuleren. Dit wordt vooral gebruikt in klassieke druktechnieken [71](#page=71).
* **Rasterpercentage:** De maat voor de helderheid van een toon, uitgedrukt als de oppervlakte van het rasterpunt gedeeld door de oppervlakte van de rastercel [71](#page=71).
* **Rasterliniatuur (Rasterfrequentie):** Het aantal cellen per lengte-eenheid, gemeten in lijnen per centimeter (l/cm) of lijnen per inch (lpi). Een fijnere lineatuur resulteert in een betere kwaliteitsbeleving [72](#page=72).
* **Rasterpuntvorm:** Er bestaan verschillende vormen, zoals Euclidisch en ruitvormig, elk met specifieke eigenschappen [72](#page=72).
* **Rasterhoek:** De hoek waaronder het raster wordt geroteerd. Voor drukwerk in één kleur wordt 45° gebruikt om lijnen te minimaliseren. Bij meerkleurendruk krijgen de deelkleuren verschillende hoeken (bv. zwart 45°, cyaan 15°, magenta 75°, geel 0°/90°) om moiré (interferentiepatronen) te voorkomen [73](#page=73).
* **FM (Frequency Modulation) Raster:** De rasterpunten hebben dezelfde grootte, maar hun onderlinge afstand varieert om de toonwaarde te simuleren. Dit wordt vaker gebruikt in digitale druktechnieken (toner en inkjet). Hybride technieken combineren beide methoden [73](#page=73).
#### 4.3.4 Kenmerken van een FM-raster
Hoewel FM-rasters in vele vormen voorkomen, wordt hier niet dieper op ingegaan binnen de tijdspanne van deze cursus [73](#page=73).
### 4.4 De grafische industrie en druktechnieken
De grafische industrie omvat een breed scala aan producten, van boeken en verpakkingen tot textiel en industriële toepassingen. Belangrijke trends zijn duurzaamheid, digitalisering (bv. QR-codes voor print-to-web), digitaal drukken, smart print & smart packaging, en veredeling (hoogwaardige afwerkingen) [74-75](#page=74,75). Het gebruik van oude technieken zoals hoogdruk is ook weer in opkomst vanwege de tactiele ervaring [74](#page=74) [75](#page=75).
#### 4.4.1 Verschillende druktechnieken
* **Hoogdruk (boekdruk, letterpress):** De oudste druktechniek, nu vooral ambachtelijk toegepast voor lage oplages en veredelingstechnieken zoals foliedruk. De drukvorm heeft verhoogde delen die inkt afgeven [75](#page=75).
* **Offset (Vlakdruk):** De dominante druktechniek voor commercieel drukwerk (vooral papier) sinds de jaren '60. Inkt hecht aan vette delen van de plaat en wordt via een rubberdoek overgezet [76](#page=76).
* **Diepdruk (rotogravure):** Een techniek met hoge productiekosten, geschikt voor hoge oplages, met name voor verpakkingsfolies en magazines. Inkt vult uitgegraveerde cellen in een cilinder en wordt op het substraat overgezet [76](#page=76).
* **Zeefdruk:** Een oude techniek, belangrijk voor het bedrukken van textiel en het aanbrengen van speciale inkten. Inkt wordt door openingen van een fijn gaas gedrukt met een rakel [76](#page=76).
* **Flexodruk:** Afgeleid van hoogdruk met flexibele platen. De grootste druktechniek in Europa qua omzet, ideaal voor verpakkingen en soepele substraten [76](#page=76).
* **Digitaal drukken (laser/inkjet):** Drukken rechtstreeks van een digitaal bestand naar substraat, zonder drukvorm. Rendabel voor lagere oplages, personalisatie en on-demand printen. Laser gebruikt tonerdeeltjes, inkjet spuit inktdruppeltjes [77](#page=77).
---
# Artificiële Intelligentie (AI) als instrument
Dit deel verkent de geschiedenis, werking en toepassingen van Artificiële Intelligentie (AI), met de nadruk op hoe AI kan dienen als een instrument voor mediaprofessionals om creativiteit en inzicht te vergroten, in plaats van als een bedreiging [4](#page=4).
### 7.1 Inleiding: de uitdaging van AI in 2025
Artificiële Intelligentie (AI) is een zeer besproken onderwerp in 2025, met zorgen over baanverlies en de controle die AI zou kunnen overnemen. Echter, dit hoofdstuk focust op AI als een instrument voor mediaprofessionals, met de aanname dat menselijke communicatie altijd mediatechnologie zal vereisen [78](#page=78).
### 7.2 Korte geschiedenis van AI
De geschiedenis van AI kent verschillende mijlpalen:
* **18e eeuw:** Automaten, zoals mechanische schaakspelers, die de illusie wekten van intelligentie [78](#page=78).
* **1950:** De Turing-test, voorgesteld door Alan Turing, om te onderzoeken of een machine kan denken [78](#page=78).
* **1956:** De Dartmouth-conferentie, waar de term "Artificial Intelligence" officieel werd geïntroduceerd [78](#page=78).
* **1960–1980:** Expert systems, die antwoorden konden geven binnen specifieke domeinen op basis van regels en kennisbanken [78](#page=78).
* **1980–2000:** Machine learning, waarbij systemen patronen leerden uit data, zoals bij spraak- en beeldherkenning [78](#page=78).
* **2012:** De doorbraak van deep learning, met een aanzienlijke verbetering in prestaties van neurale netwerken dankzij krachtige grafische kaarten en grote datasets [78](#page=78).
* **2020–2022:** Large Language Models (LLM's) zoals GPT, getraind op miljarden teksten om vloeiende, natuurlijke taal te produceren [78](#page=78).
* **2023–2025:** De doorbraak naar het brede publiek door gebruiksvriendelijke interfaces zoals ChatGPT, MidJourney, DALL·E en Runway [78](#page=78).
De recente omwenteling is te danken aan de combinatie van grote hoeveelheden data, snellere hardware (GPU's) en slimme architecturen (transformers) [78](#page=78).
### 7.3 Wat is intelligentie?
Intelligentie wordt vaak omschreven als het vermogen om problemen op te lossen, te leren uit ervaringen, en nieuwe situaties te begrijpen en zich eraan aan te passen [79](#page=79).
#### 7.3.1 AI en menselijke intelligentie
* **Artificiële Intelligentie (AI)** zijn machines die taken uitvoeren die normaal menselijke intelligentie vereisen, gebaseerd op neurale netwerken [79](#page=79).
* **Organische intelligentie** is de menselijke manier van denken en leren, gebaseerd op biologische neuronen [79](#page=79).
Het verschil tussen AI en menselijke intelligentie zit in de onderliggende mechanismen (silicon versus biologisch), maar het resultaat (slim gedrag) kan vergelijkbaar zijn [79](#page=79).
### 7.4 AI als instrument voor mediaprofessionals
AI wordt niet gezien als een bedreiging, maar als een extra instrument voor mediaprofessionals, met drie hoofdfuncties [79](#page=79):
1. **AI als assistent:** Helpt bij research, copywriting, ontwerpen en monteren, waardoor voorbereidend werk sneller en goedkoper kan [79](#page=79).
2. **AI als hefboom voor talent:** Stelt getalenteerde professionals in staat om hun werk sneller, breder en preciezer te maken, waardoor bestaande vaardigheden naar een hoger niveau worden getild [79](#page=79).
3. **AI en verschuivende rollen:** Beroepen die puur gericht zijn op technische uitvoering veranderen snel. De waarde van de professional verschuift naar conceptueel denken, creativiteit en kritische reflectie [79](#page=79).
### 7.5 Hoe werkt AI in de kern?
AI is een combinatie van technologieën, waarbij het begrijpen van de werking de beperkingen ervan verduidelijkt [79](#page=79).
#### 7.5.1 Machine Learning: leren uit voorbeelden
* **Concept:** Een systeem leert patronen uit data in plaats van dat regels expliciet worden uitgeschreven [80](#page=80).
* **Voorbeeld:** Een model dat leert onderscheid te maken tussen katten en honden door duizenden foto's te analyseren [80](#page=80).
* **Potentieel:** Snel en accuraat ontdekken van patronen in grote datasets [80](#page=80).
* **Beperkingen:** Begrijpt de inhoud niet zoals mensen; kan foutieve patronen leren als deze in de trainingsdata voorkomen [80](#page=80).
#### 7.5.2 Deep Learning: meerdere lagen van verwerking
* **Concept:** Een subset van machine learning die gebruikmaakt van neurale netwerken met vele lagen, waarbij elke laag informatie op een ander niveau verwerkt [80](#page=80).
* **Voorbeeld:** Een beeldherkenningsmodel dat eerst randen en lijnen detecteert, vervolgens vormen en tot slot objecten [80](#page=80).
* **Potentieel:** Herkennen van complexe structuren zoals gezichten en spraak [80](#page=80).
* **Beperkingen:** Vereist enorme hoeveelheden data en rekenkracht; vaak een "black box" waarvan de beslissingen niet altijd verklaarbaar zijn [80](#page=80).
#### 7.5.3 Neurale netwerken: de motor van AI
* **Concept:** Een wiskundig model, geïnspireerd door de hersenen, bestaande uit neuronen (knooppunten) die signalen verwerken en doorgeven [80](#page=80).
* **Hoe werkt het?** Input wordt verwerkt via verbindingen (gewichten) om tot een output (voorspelling) te komen. Door training worden de gewichten bijgesteld [80](#page=80).
* **Analogie met auto:** Het neurale netwerk is de motor, data is de brandstof, en training is de afstelling [80](#page=80).
* **Potentieel:** Maakt moderne AI voor spraak, beeld en tekst mogelijk [80](#page=80).
* **Beperkingen:** Sterk in patroonherkenning, maar mist betekenisvol begrip en redenering; doen aan statistische voorspelling [80](#page=80).
#### 7.5.4 Large Language Models (LLM's): de huidige doorbraak
* **Concept:** Neurale netwerken getraind op gigantische teksthoeveelheden die het meest waarschijnlijke volgende woord in een zin voorspellen [80](#page=80).
* **Voorbeeld:** Voorspellen van "kat" als het meest waarschijnlijke volgende woord na "De hond blaft naar de…" [81](#page=81).
* **Potentieel:** Genereren van vloeiende teksten, brede inzetbaarheid (chatbots, creatieve assistenten), en toegankelijk maken van kennis [81](#page=81).
* **Beperkingen:** Begrijpen de wereld niet, kunnen fouten maken (hallucineren), kennis is beperkt tot trainingsdata [81](#page=81).
#### 7.5.5 Klassiek computer programmeren vs artificiële intelligentie
* **Klassiek programmeren:** Een programmeur schrijft expliciet de regels die een computer moet volgen. Dit is geschikt voor duidelijke en voorspelbare taken, maar onpraktisch voor complexe, variabele taken. Hierbij schrijft de mens de regels [81](#page=81).
* **AI-programmeren (Machine Learning):** De programmeur bouwt een model dat leert uit voorbeelden. De computer ontdekt zelf de regels uit data, wat flexibiliteit biedt bij variaties en nieuwe input. Een beperking is dat het model foutieve patronen kan leren en vaak een "black box" is [81](#page=81).
### 7.6 Van recept naar proces: het broodvoorbeeld
AI wordt pas waardevol wanneer het gebruikt wordt om begrip te verdiepen en nieuwe mogelijkheden te verkennen, in plaats van enkel het volgen van instructies. Dit geldt ook voor mediaprofessionals, die AI kunnen gebruiken als uitvoerder of als inzichtsvergroter. Het stellen van de juiste vragen, die peilen naar proces en inzicht, is cruciaal en maakt een professional waardevoller dan enkel een eindproduct te leveren [82](#page=82).
#### 7.6.1 Enkele voorbeelden uit de communicatiewereld
* **Flyerontwerp:** AI als uitvoerder genereert een kant-en-klare flyer; AI als inzichtsvergroter leert over kleurcontrasten en typografie door te vragen naar de redenen achter bepaalde keuzes [82](#page=82) [83](#page=83).
* **Copywriting:** AI als uitvoerder produceert een promotietekst; AI als inzichtsvergroter leert over stijlfiguren en doelgroepgerichte communicatie [83](#page=83).
* **Video-editing:** AI als uitvoerder monteert clips tot een samenvatting; AI als inzichtsvergroter leert over montageprincipes en hoe ritme aandacht beïnvloedt [83](#page=83).
* **Fotografie / beeldbewerking:** AI als uitvoerder verwijdert achtergronden; AI als inzichtsvergroter leert over beeldtaal en compositietechnieken door te vragen naar de effecten van licht en contrast [83](#page=83).
* **Branding / huisstijl:** AI als uitvoerder genereert logo's; AI als inzichtsvergroter leert principes van branding en symboliek door te vragen naar kleurcombinaties en vormgeving [83](#page=83).
Kortom, AI moet gebruikt worden om te leren, te begrijpen en te verbeteren, wat de echte meerwaarde biedt voor creatieve mediaprofessionals [83](#page=83).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Mediatechnologie | De verzamelnaam voor alle technieken en systemen die gebruikt worden om informatie en communicatie vast te leggen, te bewerken, te verspreiden en opnieuw te beleven; het omvat zowel hardware als de onderliggende principes. |
| Informatie- en Communicatietechnologie (ICT) | Een breed veld dat alle technologieën omvat die gebruikt worden voor de opslag, ophalen, manipulatie, transmissie of ontvangst van informatie, inclusief computers, software, netwerken en telecommunicatie. |
| Binair systeem | Een getalsysteem dat gebaseerd is op slechts twee symbolen, gewoonlijk 0 en 1, dat de fundamentele werking vormt van digitale computers omdat deze kunnen worden gerepresenteerd door twee elektrische toestanden (aan/uit). |
| CPU (Central Processing Unit) | De centrale verwerkingseenheid van een computer, die alle basisinstructies van het systeem uitvoert, berekeningen maakt en de werking van andere componenten coördineert; het wordt vaak beschouwd als het "brein" van de computer. |
| GPU (Graphics Processing Unit) | Een gespecialiseerde processor ontworpen om berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor het weergeven van beelden op een beeldscherm, vooral efficiënt in parallelle verwerking voor taken zoals rendering van 3D-graphics en artificiële intelligentie. |
| RAM (Random Access Memory) | Een type computergeheugen dat gebruikt wordt om tijdelijk gegevens op te slaan die door de CPU en GPU gebruikt worden voor actieve taken; de grootte van het RAM beïnvloedt de snelheid waarmee meerdere applicaties tegelijkertijd kunnen draaien. |
| Opslagmedia (SSD/HDD) | Apparaten die digitale gegevens permanent opslaan; een HDD (Hard Disk Drive) gebruikt draaiende magnetische schijven, terwijl een SSD (Solid State Drive) gebaseerd is op geheugenchips en sneller en robuuster is. |
| Analoog | Een signaal of representatie die continu varieert en proportioneel is aan de werkelijkheid die het vertegenwoordigt, zoals een golfvorm voor geluid of licht. |
| Digitaal | Een signaal of representatie dat discrete, gekwantiseerde waarden gebruikt, meestal in de vorm van binaire getallen (0s en 1s), om informatie voor te stellen. |
| Sampling | Het proces waarbij een continu analoog signaal op regelmatige tijdstippen wordt gemeten om discrete waarden te verkrijgen die gebruikt worden voor digitalisering. |
| Quantizing | Het proces waarbij de gemeten amplitude van een sample wordt afgerond naar de dichtstbijzijnde discrete waarde uit een vooraf gedefinieerde set van mogelijke waarden, om de nauwkeurigheid van de digitale representatie te bepalen. |
| Codering | Het proces waarbij de gekwantiseerde waarden van samples worden omgezet in een binaire code (0s en 1s) die door een computer kan worden opgeslagen en verwerkt; dit omvat ook technieken voor datacompressie. |
| Pixel (Picture Element) | Het kleinste, individuele punt of element dat een digitaal beeld vormt; de kleur en intensiteit van elke pixel bepalen het algehele beeld. |
| Beeldresolutie (ppi/ppcm) | De dichtheid van pixels in een digitaal beeld, uitgedrukt in pixels per inch (ppi) of pixels per centimeter (ppcm); een hogere resolutie betekent meer detail en vloeiendere weergave. |
| Toonresolutie/Bitdiepte | Het aantal bits dat wordt gebruikt om de kleurwaarde van een enkele pixel weer te geven; een hogere bitdiepte maakt een groter aantal mogelijke kleuren en nuances mogelijk. |
| Kleurkanalen | Afzonderlijke componenten die de kleurinformatie van een pixel vertegenwoordigen, zoals rood, groen en blauw (RGB) of cyaan, magenta, geel en zwart (CMYK). |
| Vectorbeeld | Een digitaal beeld dat is opgebouwd uit wiskundige formules die lijnen, curven en vormen beschrijven, in plaats van pixels; vectorbeelden kunnen zonder kwaliteitsverlies worden geschaald. |
| Pixelbeeld (Bitmap) | Een digitaal beeld dat is opgebouwd uit een raster van pixels, waarbij elke pixel een specifieke kleurwaarde heeft; de kwaliteit van een pixelbeeld neemt af bij vergroting. |
| Kleurenruimte (Gamut) | Het volledige bereik van kleuren dat een digitaal systeem of apparaat kan weergeven of produceren; dit wordt vaak visueel voorgesteld als een "hoefijzer"-vormig diagram. |
| RGB (Rood, Groen, Blauw) | Een additief kleursysteem dat wordt gebruikt voor lichtgevende apparaten zoals schermen, waarbij het mengen van deze primaire kleuren wit licht produceert. |
| CMYK (Cyaan, Magenta, Geel, Zwart) | Een subtractief kleursysteem dat wordt gebruikt in drukwerk, waarbij het mengen van deze primaire inkten zwart produceert; K staat voor Key (zwart). |
| Rasteren | Het proces waarbij continue toonwaarden (zoals grijswaarden of kleuren) worden omgezet in een patroon van discrete stippen van verschillende groottes of afstanden, zodat deze met een binair proces (drukken) kunnen worden gereproduceerd. |
| AM-raster (Amplitude Modulatie) | Een rastertechniek waarbij de grootte van de rasterpunten varieert op een vast rasterpatroon om toonwaarden te simuleren, vaak gebruikt in klassieke druktechnieken. |
| FM-raster (Frequency Modulatie) | Een rastertechniek waarbij de afstand tussen rasterpunten van gelijke grootte varieert om toonwaarden te simuleren, vaak gebruikt in digitale druktechnieken. |
| Rasterliniatuur (lpi/lpcm) | Het aantal rasterpunten per lineaire eenheid (per inch of per centimeter) in een gedrukt beeld, dat de fijheid en de detailweergave van het raster bepaalt. |
| Artificiële Intelligentie (AI) | Machines of systemen die taken uitvoeren die normaal menselijke intelligentie vereisen, zoals leren, probleemoplossing, patroonherkenning en het begrijpen van natuurlijke taal. |
| Machine Learning (ML) | Een tak van AI die systemen in staat stelt te leren uit data zonder expliciet geprogrammeerd te zijn; het identificeert patronen en maakt voorspellingen op basis van aangeboden voorbeelden. |
| Deep Learning | Een subset van machine learning die gebruik maakt van neurale netwerken met meerdere lagen om complexe patronen en hiërarchieën in data te herkennen, wat leidt tot geavanceerde toepassingen zoals beeld- en spraakherkenning. |
| Neuraal netwerk | Een computermodel losjes gebaseerd op de structuur en functie van biologische hersenen, bestaande uit onderling verbonden "neuronen" die informatie verwerken en doorgeven om taken uit te voeren zoals patroonherkenning en voorspelling. |
| Large Language Models (LLM’s) | Geavanceerde neurale netwerken die getraind zijn op enorme hoeveelheden tekstdata om menselijke taal te begrijpen en te genereren, met toepassingen variërend van chatbots tot tekstcreatie. |
Cover
chapter 1.pdf
Summary
# Ferrous alloys: steels and cast irons
Ferrous alloys, characterized by iron as the primary constituent, encompass steels and cast irons, which are produced in large quantities and are crucial engineering materials due to their abundance, economical processing, and versatile properties. Their main drawback is susceptibility to corrosion [3](#page=3).
### 1.1 Classification of ferrous alloys
Ferrous alloys are broadly categorized into steels and cast irons [3](#page=3).
### 1.2 Steels
Steels are iron-carbon alloys that can incorporate other alloying elements. Their mechanical properties are significantly influenced by carbon content, typically below 1.0 wt% [4](#page=4).
#### 1.2.1 Low-carbon steels
These steels contain less than approximately 0.25 wt% C. They are not responsive to heat treatments for martensite formation and are strengthened by cold work. Their microstructures consist of ferrite and pearlite, resulting in low strength and softness but excellent ductility and toughness, along with good machinability and weldability. They are also the most economical to produce. Typical applications include automobile body panels, structural shapes, and sheets for pipelines and buildings. Plain low-carbon steels typically exhibit a yield strength of 275 MPa, tensile strengths between 415 and 550 MPa, and ductility of 25% EL [4](#page=4).
**High-strength, low-alloy (HSLA) steels** are a subclass of low-carbon alloys containing alloying elements like copper, vanadium, nickel, and molybdenum, with combined concentrations up to 10 wt%. They offer higher strengths than plain low-carbon steels and can be heat-treated for tensile strengths exceeding 480 MPa, while retaining ductility and formability. HSLA steels are more corrosion-resistant than plain carbon steels and have replaced them in structural applications like bridges, towers, and pressure vessels [4](#page=4) [5](#page=5).
> **Tip:** Low-carbon steels are ideal for applications where high strength is not the primary requirement but rather formability, weldability, and cost-effectiveness are key.
#### 1.2.2 Medium-carbon steels
Medium-carbon steels contain between approximately 0.25 and 0.60 wt% C. They can be heat-treated (austenitizing, quenching, and tempering) to enhance mechanical properties, typically resulting in a tempered martensite microstructure. Plain medium-carbon steels have low hardenability, limiting heat treatment effectiveness to thin sections and rapid quenching. Alloying elements like chromium, nickel, and molybdenum improve hardenability, leading to various strength-ductility combinations. These heat-treated alloys are stronger than low-carbon steels but with reduced ductility and toughness. Applications include railway wheels and tracks, gears, crankshafts, and other machine parts requiring high strength, wear resistance, and toughness [5](#page=5).
##### 1.2.2.1 Steel designation systems
* **AISI/SAE designation:** A four-digit number system where the first two digits indicate alloy content (e.g., '10' for plain carbon steel, '13', '41', '43' for alloy steels) and the last two digits represent the weight percent carbon multiplied by 100 [5](#page=5).
* **UNS (Unified Numbering System):** A single-letter prefix followed by a five-digit number, indexing both ferrous and nonferrous alloys. For steel, the prefix is 'G' followed by the AISI/SAE number, with the fifth digit usually zero [6](#page=6).
> **Example:** A 1060 steel is a plain carbon steel with 0.60 wt% C. A G41300 designation indicates an alloy steel with approximately 0.30 wt% C and alloying elements specified by the '41' prefix [6](#page=6) [7](#page=7).
#### 1.2.3 High-carbon steels
These steels typically contain between 0.60 and 1.4 wt% C. They are the hardest, strongest, and least ductile of the carbon steels. High-carbon steels are usually hardened and tempered, making them highly wear-resistant and capable of holding a sharp cutting edge. Tool and die steels, a subclass of high-carbon alloys, often contain chromium, vanadium, tungsten, and molybdenum, which form hard and wear-resistant carbide compounds (e.g., Cr₂₃C₆, V₄C₃, WC). Applications include cutting tools, dies, knives, razors, hacksaw blades, springs, and high-strength wire [6](#page=6).
#### 1.2.4 Stainless steels
Stainless steels are characterized by high resistance to corrosion, especially in ambient atmospheres, due to a minimum of 11 wt% chromium. Nickel and molybdenum additions further enhance corrosion resistance. They are classified into three main types based on their predominant microstructural phase: martensitic, ferritic, and austenitic [7](#page=7).
* **Austenitic:** Extended austenite phase field to room temperature. They are not heat-treatable and are strengthened by cold work. Austenitic stainless steels are the most corrosion-resistant due to high chromium and nickel content and are produced in the largest quantities. They are non-magnetic [8](#page=8) [9](#page=9).
* **Ferritic:** Composed of the α-ferrite (BCC) phase. They are not heat-treatable and are strengthened by cold work. Ferritic stainless steels are magnetic [8](#page=8) [9](#page=9).
* **Martensitic:** Capable of heat treatment to achieve a martensite microstructure. Martensitic stainless steels are magnetic [9](#page=9).
* **Precipitation-hardenable:** These steels can achieve ultra-high strength through precipitation-hardening heat treatments [8](#page=8) [9](#page=9).
Many stainless steels can withstand elevated temperatures and severe environments due to oxidation resistance and maintained mechanical integrity up to approximately 1000°C (1800°F). Applications include gas turbines, boilers, heat-treating furnaces, aircraft, missiles, and nuclear power units. Some austenitic grades, like 316L, are used in biomedical applications such as temporary orthopedic devices [9](#page=9).
> **Fact:** The minimum chromium content for a steel to be classified as stainless is 11 wt% [7](#page=7).
### 1.3 Cast irons
Cast irons are ferrous alloys with carbon contents exceeding 2.14 wt%, typically ranging from 3.0 to 4.5 wt% C, along with other alloying elements. They melt at significantly lower temperatures (1150°C to 1300°C) compared to steels, making them easy to melt and cast. The brittleness of some cast irons also favors casting as a fabrication method. The equilibrium iron-carbon phase diagram with graphite as the stable carbon phase is relevant for cast irons, differing from the iron-iron carbide diagram primarily at higher carbon concentrations [10](#page=10) [9](#page=9).
The tendency to form graphite is influenced by silicon content (greater than 1 wt%) and slower cooling rates during solidification. The microstructure and mechanical behavior depend on composition and heat treatment. The most common types of cast iron are gray, nodular (ductile), white, malleable, and compacted graphite [10](#page=10).
#### 1.3.1 Gray iron
Gray cast irons typically contain 2.5 to 4.0 wt% C and 1.0 to 3.0 wt% Si. Graphite exists as flakes, usually surrounded by an α-ferrite or pearlite matrix. The fractured surface has a gray appearance due to these flakes [10](#page=10).
Mechanically, gray iron is relatively weak and brittle in tension due to stress concentration at the sharp flake tips. However, it exhibits higher strength and ductility under compression. Gray iron is excellent at damping vibrational energy, making it suitable for machine bases and heavy equipment exposed to vibrations. It also offers high wear resistance, good fluidity for intricate casting shapes, low casting shrinkage, and is among the least expensive metallic materials [10](#page=10).
> **Example:** Machine tool bases and engine blocks are often made from gray cast iron due to its excellent vibration damping capabilities and low cost [10](#page=10).
#### 1.3.2 Ductile (or nodular) iron
Adding a small amount of magnesium and/or cerium to gray iron before casting results in graphite forming as nodules or spherelike particles instead of flakes. This alloy is known as ductile or nodular iron. The matrix is typically pearlite in the as-cast state or can be made into ferrite through heat treatment. Ductile iron exhibits higher strength and significantly greater ductility than gray iron, with mechanical properties approaching those of steel. Ferritic ductile irons have tensile strengths between 380 and 480 MPa and ductilities of 10% to 20% EL. Applications include valves, pump bodies, crankshafts, gears, and other automotive and machine components [13](#page=13).
#### 1.3.3 White iron and malleable iron
* **White cast iron:** Produced in low-silicon cast irons (less than 1.0 wt% Si) with rapid cooling rates, where most carbon exists as cementite (Fe₃C) instead of graphite. It is extremely hard and brittle, making it difficult to machine, but is used for wear-resistant surfaces like rollers in rolling mills. White iron is often an intermediate product in the production of malleable iron [13](#page=13).
* **Malleable iron:** Produced by heating white iron at 800°C to 900°C for extended periods in a neutral atmosphere. This process causes cementite decomposition, forming graphite in clusters or rosettes surrounded by a ferrite or pearlite matrix. Malleable iron offers relatively high strength and appreciable ductility, with applications in automotive connecting rods, gears, and fittings for railroad and marine services [13](#page=13).
#### 1.3.4 Compacted graphite iron (CGI)
CGI is a more recent addition to cast iron types. Graphite in CGI has a wormlike or vermicular shape, intermediate between gray iron flakes and ductile iron nodules. Silicon content ranges from 1.7 to 3.0 wt%, and carbon content is typically 3.1 to 4.0 wt%. CGI offers a balance of properties, making it suitable for applications like diesel engine blocks, exhaust manifolds, and brake discs for high-speed trains [12](#page=12) [13](#page=13) [14](#page=14).
---
# Nonferrous alloys: types and properties
This section provides a comprehensive overview of nonferrous alloys, categorizing them by their base metals and discussing their compositions, properties, and applications.
### 2.1 Overview of nonferrous alloys
Nonferrous alloys are utilized when ferrous alloys present limitations such as high density, low electrical conductivity, or susceptibility to corrosion. They are classified either by their base metal or by shared characteristics. Alloys can be further distinguished as cast (brittle, not amenable to deformation) or wrought (amenable to mechanical deformation). Heat-treatable alloys are those whose mechanical strength can be improved through precipitation hardening or martensitic transformation [15](#page=15).
### 2.2 Copper and its alloys
Copper and its alloys have a long history of use due to their desirable physical properties, good corrosion resistance, and amenability to cold working. While unalloyed copper is soft and ductile, alloying enhances its mechanical and corrosion resistance properties. Most copper alloys cannot be strengthened by heat treatment; thus, cold working and solid-solution alloying are primary strengthening methods [16](#page=16).
#### 2.2.1 Brasses
Brasses are copper alloys where zinc is the main alloying element. The $\alpha$ phase, with an FCC structure, is stable up to approximately 35 wt% Zn and results in ductile, easily cold-worked alloys. Alloys with higher zinc content contain both $\alpha$ and $\beta'$ phases; the $\beta'$ phase (ordered BCC) is harder and stronger, making these alloys suitable for hot working. Common brasses include yellow brass, naval brass, cartridge brass, Muntz metal, and gilding metal. Applications include costume jewelry, cartridge casings, automotive radiators, musical instruments, and coins [16](#page=16).
#### 2.2.2 Bronzes
Bronzes are copper alloys with tin, aluminum, silicon, or nickel as primary alloying elements. They are generally stronger than brasses while maintaining high corrosion resistance. Bronzes are typically used when good tensile properties are required in addition to corrosion resistance [16](#page=16).
#### 2.2.3 Beryllium coppers
Beryllium coppers are among the most common heat-treatable copper alloys. They offer exceptional tensile strengths (up to 1400 MPa), excellent electrical and corrosion properties, and wear resistance. High strengths are achieved through precipitation hardening heat treatments. Due to beryllium content, these alloys are costly. Applications include springs, bellows, firing pins, bushings, valves, and diaphragms [16](#page=16) [17](#page=17).
> **Tip:** Heat-treatable copper alloys, like beryllium coppers, leverage precipitation hardening to achieve high strengths, making them suitable for demanding applications like springs and high-stress components.
### 2.3 Aluminum and its alloys
Aluminum alloys are distinguished by their low density (2.7 g/cm$^3$), high electrical and thermal conductivities, and good corrosion resistance in ambient atmospheres. Their FCC structure provides ductility even at low temperatures. A major limitation is their low melting temperature (660°C), restricting high-temperature applications [18](#page=18).
Mechanical strength can be improved by cold work and alloying, though these processes can reduce corrosion resistance. Principal alloying elements include copper, magnesium, silicon, manganese, and zinc. Non-heat-treatable alloys rely on solid-solution strengthening, while others are heat-treatable through precipitation hardening, often involving intermetallic compound formation like MgZn$_2$ [18](#page=18).
Aluminum alloys are classified as cast or wrought, with composition and temper designations indicated by a four-digit numbering system and a temper designation (e.g., F, O, H, W, T). Applications span aircraft structural parts, beverage cans, bus bodies, and automotive components. Aluminum alloys are also crucial for reducing fuel consumption in transportation due to their high specific strength (tensile strength-to-specific gravity ratio). Newer aluminum-lithium alloys offer even lower densities, high specific moduli, and excellent fatigue and low-temperature toughness, though at a higher manufacturing cost [18](#page=18).
> **Example:** Aluminum alloys are particularly valuable in aerospace and automotive industries for their lightweight properties, contributing significantly to fuel efficiency.
### 2.4 Magnesium and its alloys
Magnesium alloys are notable for their extremely low density (1.7 g/cm$^3$), making them ideal for applications where light weight is paramount. Magnesium has an HCP crystal structure and a low elastic modulus (45 GPa). At room temperature, they are difficult to deform, necessitating casting or hot working between 200°C and 350°C. Magnesium alloys have moderately low melting points (651°C). They are susceptible to corrosion in marine environments but exhibit reasonable resistance in normal atmospheres, possibly due to impurities. Fine magnesium powder is pyrophoric [19](#page=19).
Alloying elements include aluminum, zinc, manganese, and rare earths. Magnesium alloys are classified as cast or wrought, with a designation system similar to aluminum. Applications include aircraft and missile components, luggage, handheld devices, automotive parts (steering wheels, seat frames), and electronic equipment. Magnesium alloys are increasingly replacing engineering plastics due to their superior stiffness, recyclability, and lower cost for comparable densities [19](#page=19) [21](#page=21).
### 2.5 Titanium and its alloys
Titanium and its alloys are relatively new engineering materials with an exceptional property combination. They possess a low density (4.5 g/cm$^3$), a high melting point (1668°C), and high tensile strengths (up to 1400 MPa), resulting in remarkable specific strengths. Titanium alloys are also highly ductile and forgeable [22](#page=22).
Titanium exists as an $\alpha$ phase (HCP) at room temperature, transforming to a $\beta$ phase (BCC) at 883°C. Alloying elements influence this transformation temperature; $\beta$-phase stabilizers like V, Nb, and Mo promote the $\beta$ phase at room temperature. Titanium alloys are categorized into four types based on phase composition: $\alpha$, $\beta$, $\alpha + \beta$, and near $\alpha$ [22](#page=22).
* **$\alpha$-titanium alloys:** Often alloyed with Al and Sn, they excel in high-temperature applications due to superior creep resistance. They cannot be strengthened by heat treatment [22](#page=22).
* **$\beta$ titanium alloys:** Contain sufficient $\beta$-stabilizing elements to retain the metastable $\beta$ phase at room temperature after rapid cooling. They are highly forgeable and have high fracture toughness [22](#page=22).
* **$\alpha + \beta$ materials:** Alloyed with stabilizers for both phases, their strength can be controlled by heat treatment, leading to diverse microstructures [22](#page=22).
* **Near $\alpha$ alloys:** Contain a small proportion of $\beta$ phase, offering a greater diversity of microstructures and properties than pure $\alpha$ materials [22](#page=22).
The primary limitation of titanium is its chemical reactivity at elevated temperatures, leading to expensive refining and melting processes. Despite this, titanium alloys exhibit outstanding corrosion resistance in various environments, including air, seawater, and industrial settings. They are also highly biocompatible, making them suitable for dental and orthopedic implants. Common applications include airplane structures, space vehicles, and the petroleum and chemical industries [22](#page=22) [23](#page=23).
### 2.6 Refractory metals
Refractory metals are characterized by their extremely high melting temperatures, ranging from 2468°C (niobium) to 3410°C (tungsten). This high melting point is attributed to strong interatomic bonding, which also contributes to their large elastic moduli, high strengths, and hardness at both ambient and elevated temperatures. Examples include niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), and tantalum (Ta). Tantalum and molybdenum are used to enhance the corrosion resistance of stainless steel. Molybdenum alloys are used in extrusion dies and aerospace structures, while tungsten alloys are found in light filaments and X-ray tubes. Tantalum's immunity to chemical attack below 150°C makes it ideal for highly corrosive applications [23](#page=23) [24](#page=24).
### 2.7 Superalloys
Superalloys possess superior combinations of properties, primarily used in aircraft turbine components that endure high temperatures and oxidizing environments. Density is a critical factor, as lower density reduces centrifugal stresses in rotating parts. Superalloys are classified by their predominant base metal: iron-nickel, nickel, or cobalt. Other alloying elements include refractory metals, chromium, and titanium. They can be wrought or cast. Applications extend to nuclear reactors and petrochemical equipment [24](#page=24).
### 2.8 Noble metals
The noble or precious metals are a group of eight elements known for their expense and superior properties, including softness, ductility, and oxidation resistance. These include silver, gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and osmium. Silver and gold can be strengthened by solid-solution alloying with copper (e.g., sterling silver is 7.5 wt% Cu). They are used in jewelry, dental restorations, and electrical contacts. Platinum finds use in chemical laboratory equipment, as a catalyst, and in thermocouples [25](#page=25).
### 2.9 Miscellaneous nonferrous alloys
#### 2.9.1 Nickel and its alloys
Nickel alloys offer high resistance to corrosion, particularly in basic environments. Nickel plating is used as a protective measure on corrosion-susceptible metals. Monel, a nickel-copper alloy (approximately 65 wt% Ni, 28 wt% Cu), exhibits high strength and excellent corrosion resistance in acidic and petroleum solutions. Nickel is also a key component in stainless steels and superalloys [25](#page=25).
#### 2.9.2 Lead, tin, and their alloys
Lead and tin alloys are mechanically soft and weak, with low melting temperatures and recrystallization temperatures below room temperature. They offer good resistance to many corrosive environments. Lead-tin alloys are used as solders due to their low melting points. Lead alloys are found in X-ray shields and storage batteries. Tin is primarily used as a coating for steel cans, preventing chemical reactions between the steel and food products [25](#page=25).
#### 2.9.3 Zinc and its alloys
Unalloyed zinc is soft, has a low melting temperature, and a subambient recrystallization temperature. It is susceptible to corrosion in many common environments. Galvanized steel, coated with zinc, utilizes the sacrificial corrosion of zinc to protect the steel. Zinc alloys are used in padlocks, plumbing fixtures, automotive parts, and office equipment [25](#page=25).
#### 2.9.4 Zirconium and its alloys
Zirconium and its alloys are ductile and possess mechanical properties comparable to titanium alloys and austenitic stainless steels. Their primary advantage is exceptional corrosion resistance, even in superheated water. Zirconium's transparency to thermal neutrons makes its alloys suitable for cladding uranium fuel in nuclear reactors. They are also cost-effective materials for heat exchangers, reactor vessels, and piping in the chemical-processing and nuclear industries [25](#page=25).
---
# Metal fabrication techniques: forming, casting, and welding
This section explores fundamental metal fabrication techniques, focusing on shaping metal through forming, liquid state processes like casting, and joining methods such as welding, alongside advancements like 3D printing [27](#page=27).
### 3.1 Overview of metal fabrication
Metal fabrication encompasses processes that transform refined, alloyed, and heat-treated metals into finished products. The selection of fabrication methods is governed by the metal's properties, the desired final shape and size, and cost-effectiveness. These techniques are broadly categorized into forming operations, casting, powder metallurgy, welding, machining, and 3D printing, often requiring a combination of methods for completion [27](#page=27).
### 3.2 Forming operations
Forming operations reshape metal through plastic deformation, requiring external forces that exceed the material's yield strength. Most metals are ductile enough for these processes, allowing permanent deformation without fracture [27](#page=27).
#### 3.2.1 Hot working vs. cold working
* **Hot working** involves deformation above the recrystallization temperature [27](#page=27).
* **Advantages:** Allows for large deformations, successive repetitions due to sustained softness and ductility, and requires less energy [27](#page=27).
* **Disadvantages:** Prone to surface oxidation, leading to material loss and a poor surface finish [27](#page=27).
* **Cold working** is deformation below the recrystallization temperature [27](#page=27).
* **Advantages:** Results in a higher quality surface finish, superior and a wider range of mechanical properties due to strain hardening, and closer dimensional control [27](#page=27).
* **Disadvantages:** Increases strength at the expense of ductility [27](#page=27).
* A combination of cold working and process annealing (heating to soften) can be used for extensive deformation, though it is costly and inconvenient [27](#page=27).
#### 3.2.2 Specific forming techniques
* **Forging**: Involves mechanically deforming a metal piece, usually hot, through successive blows or continuous squeezing [28](#page=28).
* **Closed-die forging**: Metal is deformed within the cavity of two or more die halves that possess the final shape [28](#page=28).
* **Open-die forging**: Uses dies with simple geometric shapes on large workpieces [28](#page=28).
* **Characteristics**: Forged articles exhibit excellent grain structures and superior mechanical properties, exemplified by wrenches, crankshafts, and connecting rods [28](#page=28).
* **Rolling**: The most common deformation process, where metal passes between two rolls, reducing thickness via compressive stress [28](#page=28).
* **Applications**: Cold rolling produces sheet, strip, and foil with high-quality finishes. Grooved rolls are used for circular shapes, I-beams, and railroad rails [28](#page=28).
* **Extrusion**: A metal bar is forced through a die orifice by a ram, creating a shape with a reduced cross-sectional area [28](#page=28).
* **Products**: Used for rods and tubing with complex cross-sections, including seamless tubing [28](#page=28).
* **Drawing**: A metal piece is pulled through a tapered die by a tensile force, reducing its cross-section and increasing its length [28](#page=28).
* **Applications**: Commonly used for producing rod, wire, and tubing, potentially involving a series of dies [28](#page=28).
### 3.3 Casting
Casting involves pouring molten metal into a mold cavity of a desired shape, which the metal assumes upon solidification, though some shrinkage occurs. Casting is employed when [29](#page=29):
1. The final shape is too large or complex for other methods [29](#page=29).
2. The alloy has low ductility, making forming difficult [29](#page=29).
3. Casting is the most economical option compared to other processes [29](#page=29).
#### 3.3.1 Common casting techniques
* **Sand casting**: Uses ordinary sand as the mold material, formed around a pattern [29](#page=29).
* **Characteristics**: Features a gating system for molten metal flow and defect minimization. Common for automotive cylinder blocks, fire hydrants, and large pipe fittings [29](#page=29).
* **Die casting**: Liquid metal is injected into a permanent steel die under pressure and at high velocity [29](#page=29).
* **Characteristics**: Enables rapid casting rates and is cost-effective for thousands of castings with a single die set. Best suited for smaller parts and low-melting-point alloys like zinc, aluminum, and magnesium [29](#page=29).
* **Investment casting (lost-wax casting)**: Uses a wax or plastic pattern that is melted and burned out after a ceramic slurry mold is formed around it [29](#page=29).
* **Applications**: Ideal for high dimensional accuracy, fine detail reproduction, and excellent finishes, such as in jewelry, dental crowns, gas turbine blades, and jet engine impellers [29](#page=29).
* **Lost-foam casting (expendable pattern casting)**: Employs a foam pattern that vaporizes when molten metal is poured into the sand-packed mold [30](#page=30).
* **Advantages**: Allows for complex geometries and tight tolerances, is simpler, quicker, and less expensive than sand casting, and generates less waste [30](#page=30).
* **Common materials and applications**: Used for cast irons and aluminum alloys in automotive engine blocks, cylinder heads, and electric motor frames [30](#page=30).
* **Continuous casting (strand casting)**: Molten metal is cast directly into a continuous strand with a rectangular or circular cross-section in a water-cooled die [30](#page=30).
* **Advantages**: Produces more uniform chemical composition and mechanical properties compared to ingot casting. It is highly automated and efficient [30](#page=30).
### 3.4 Powder metallurgy (P/M)
Powder metallurgy involves compacting metal powder followed by heat treatment to create a dense piece [30](#page=30).
* **Advantages**: Produces virtually nonporous parts with properties approaching those of fully dense materials. Expedites fabrication of metals with high melting temperatures and allows for economical production of parts with close dimensional tolerances, such as bushings and gears [30](#page=30).
* **Suitability**: Particularly useful for metals with low ductility, requiring minimal plastic deformation of powder particles [30](#page=30).
### 3.5 Welding
Welding joins two or more metal parts to form a single piece when separate fabrication is impractical or expensive. The bond is metallurgical, involving diffusion, rather than purely mechanical [31](#page=31).
#### 3.5.1 Arc and gas welding
These methods involve heating the workpieces and filler material (welding rod) to melting temperatures, forming a fusion joint upon solidification [31](#page=31).
* **Heat-affected zone (HAZ)**: The region adjacent to the weld may undergo microstructural and property alterations, including:
1. Recrystallization and grain growth in cold-worked materials, leading to reduced strength and toughness [31](#page=31).
2. Formation of residual stresses that can weaken the joint [31](#page=31).
3. Formation of undesirable brittle phases like martensite in steels upon rapid cooling [31](#page=31).
4. Sensitization in some stainless steels, leading to intergranular corrosion [31](#page=31).
#### 3.5.2 Laser beam welding
A highly focused laser beam serves as the heat source, melting the parent metal to create a fusion joint, often without filler material [31](#page=31).
* **Advantages**: Non-contact process, minimal distortion, rapid and automated, low energy input resulting in a minimal HAZ, precise and small welds, versatility in joining various metals, and porosity-free welds with high strength [31](#page=31).
* **Applications**: Widely used in automotive and electronics industries for high quality and speed [31](#page=31).
### 3.6 3D printing (Additive Manufacturing)
Additive manufacturing (AM), or 3D printing, creates functional objects by incrementally adding raw material, often layer by layer, from computer-aided design (CAD) data. This contrasts with subtractive manufacturing (e.g., machining) [32](#page=32).
* **Advantages**: Enables creation of complex shapes, cost-effective fabrication of customized, one-of-a-kind products with short lead times, minimal waste, and easy design modifications without retooling [32](#page=32).
* **Disadvantages**: Higher costs for large production runs, limited material availability, fewer color and finish choices (though increasing), and often inferior mechanical properties compared to traditional methods. Property and dimensional reproducibility can also be issues [32](#page=32).
#### 3.6.1 3D printing process flow
1. Generate a digital 3D model using CAD software, 3D scanner, or photogrammetry [33](#page=33).
2. Convert the model to a file format (e.g., STL) defining surface geometry [33](#page=33).
3. Use "slicer" software to divide the model into horizontal layers and generate tool paths [33](#page=33).
4. The printer creates the physical object layer by layer [33](#page=33).
5. End-part finishing (e.g., sanding, painting) may be necessary [33](#page=33).
#### 3.6.2 3D printing of metallic materials
Metallic materials typically use powder or wire feedstock with a laser or electron beam as the energy source [33](#page=33).
* **Direct Energy Deposition (DED)**: A focused laser or electron beam melts metal powder or wire as it's deposited by a nozzle onto the workpiece surface, solidifying in layers [33](#page=33).
* **Characteristics**: Similar to multipass welding, requiring control of homogeneity, microstructure, and porosity. Post-processing may be needed if control is insufficient [34](#page=34).
* **Powder Bed Fusion (PBF)**: Utilizes a powder feedstock spread in thin layers onto a build platform [34](#page=34).
* **Process**: A laser or electron beam selectively melts or sinters powder particles according to the CAD model's tool path, creating solid layers. Unmelted powder is recovered and reused [34](#page=34).
* **Selective Laser Sintering (SLS)**: A PBF process using a laser where powder particles coalesce without melting [34](#page=34).
* **Materials**: Pure gold, copper, titanium, tantalum, niobium, and alloys of aluminum, copper, cobalt, nickel, iron, and titanium [34](#page=34).
* **Applications**: Concentrated in biomedical and aerospace industries, but expanding into automotive, architecture, medical, and dental sectors (#page=34, 35). Potential applications include fully 3D-printed automobiles, complex aircraft engine parts, architectural models, personalized medical devices, and even tissue engineering (bioprinting). Dental and shoe manufacturing also leverage this technology [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36).
---
# Heat treatment processes
Heat treatment processes are crucial thermal treatments applied to metals and alloys to modify their microstructure and, consequently, their mechanical properties. These processes typically involve three stages: heating to a specific temperature, holding at that temperature (soaking), and cooling [36](#page=36).
### 4.1 Annealing processes
Annealing is a heat treatment involving heating a material to an elevated temperature for a prolonged period, followed by slow cooling. The primary goals of annealing are to relieve internal stresses, increase softness, ductility, and toughness, and to achieve a specific microstructure [36](#page=36).
#### 4.1.1 Process annealing
Process annealing is employed to counteract the effects of cold work, thereby softening and increasing the ductility of a strain-hardened metal. This is particularly useful during fabrication steps requiring significant plastic deformation, allowing for continued deformation without fracture or excessive energy expenditure. This process facilitates recovery and recrystallization, and it is typically performed at a temperature above the recrystallization temperature but low enough to avoid significant grain growth or oxidation [36](#page=36).
#### 4.1.2 Stress relief
Internal residual stresses can arise from plastic deformation (e.g., machining, grinding), non-uniform cooling after high-temperature processing (e.g., welding, casting), or phase transformations with differing densities between parent and product phases. These stresses can lead to distortion or cracking. Stress relief annealing involves heating the component to a relatively low temperature (to avoid affecting prior cold work or heat treatments), holding it to equalize temperature, and then cooling it in air [37](#page=37).
#### 4.1.3 Annealing of ferrous alloys
Specific annealing procedures are used for steel alloys, often referencing critical temperatures on the iron-iron carbide phase diagram [37](#page=37).
* **Normalizing:** This process refines grains and promotes a more uniform grain size distribution in steels that have undergone plastic deformation. It involves heating the steel to at least 55°C above the upper critical temperature (A3 for hypoeutectectoid steels, Acm for hypereutectectoid steels) to form austenite (austenitizing), followed by cooling in air (#page=37, page=38). This results in tougher, fine-grained pearlitic steels compared to coarse-grained ones [37](#page=37) [38](#page=38).
* **Full annealing:** This treatment is applied to low- and medium-carbon steels intended for machining or extensive plastic deformation. The steel is heated to approximately 50°C above the A3 or A1 line (depending on carbon content) to form austenite. Subsequently, it is cooled very slowly in the furnace, resulting in coarse pearlite and proeutectoid phases, yielding a relatively soft and ductile microstructure [38](#page=38).
* **Spheroidizing:** Medium- and high-carbon steels that are still too hard for machining or deformation, even with coarse pearlite, can be spheroidized. This process converts cementite (Fe3C) into spherical particles, maximizing softness and ductility. Methods include heating just below the eutectoid temperature (around 700°C or 1300°F) for extended periods, heating above the eutectoid and cooling slowly, or alternating heating and cooling around the A1 line. Prior cold work can accelerate spheroidite formation [38](#page=38).
### 4.2 Heat treatment of steels
Specialized heat treatments are applied to steels to achieve desired properties, primarily through controlling the formation of martensite and subsequent tempering.
#### 4.2.1 Hardenability
Hardenability describes a steel alloy's capacity to form martensite upon quenching for a given heat treatment. It is not the same as hardness (resistance to indentation) but rather indicates how quickly hardness decreases with depth into a specimen due to reduced martensite content. High hardenability means martensite forms extensively throughout the interior, not just at the surface [39](#page=39).
##### 4.2.1.1 The Jominy end-quench test
The Jominy end-quench test is a standardized method for determining hardenability. A cylindrical specimen is austenitized and then quenched with a water jet at one end (#page=39, page=40). This creates a gradient of cooling rates along the specimen's length, with the fastest cooling at the quenched end. After cooling, hardness measurements are taken at intervals along the specimen, and the results are plotted as a hardenability curve showing hardness versus distance from the quenched end [39](#page=39) [40](#page=40).
* **Hardenability curves:** These plots illustrate how hardness diminishes with decreasing cooling rate (increasing distance from the quenched end). A steel with high hardenability maintains high hardness for longer distances. Cooling rate at 700°C (1300°F) is often used as a parameter, correlating to distance from the quenched end. Alloy elements like nickel, chromium, and molybdenum increase hardenability by delaying the austenite-to-pearlite and bainite transformations, allowing more martensite to form. Carbon content primarily affects the maximum achievable hardness at the quenched end, while alloying elements influence the depth of hardening (#page=41, page=42). Hardenability can also be represented as a band to account for variations in composition and grain size [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43).
#### 4.2.2 Influence of quenching medium, specimen size, and geometry
The cooling rate achieved during quenching is influenced by:
* **Quenching medium:** Water provides the most severe quench, followed by oil, and then air. Agitation of the medium also enhances heat removal. Aqueous polymer quenchants offer intermediate cooling rates [43](#page=43).
* **Specimen size and geometry:** Heat must transfer from the interior to the surface before dissipation into the quenching medium. Larger diameters lead to slower cooling rates, especially at the center. The surface area-to-mass ratio is critical; shapes with higher ratios (e.g., irregular shapes with edges) cool faster and harden more deeply [44](#page=44) [45](#page=45).
Hardenability curves, combined with information on cooling rates for various quenching conditions and specimen geometries, help predict hardness distribution and select appropriate steels and heat treatments for specific applications (#page=44, page=45). A minimum of 80% martensite is often required for high-stress applications, while 50% is sufficient for moderately stressed parts [44](#page=44) [45](#page=45).
#### 4.2.3 Quenching and tempering
Many steels are heat-treated by austenitizing, rapidly quenching to form martensite, and then tempering. Tempering involves reheating the quenched steel to an intermediate temperature to reduce brittleness and improve toughness, while retaining much of the hardness gained from quenching. The resulting properties are dependent on alloy composition, quenching medium, and specimen diameter (#page=47, page=48) [47](#page=47) [48](#page=48).
### 4.3 Precipitation hardening
Precipitation hardening, also known as age hardening, is a process that enhances the strength and hardness of certain metal alloys by forming extremely small, uniformly dispersed particles of a second phase within the original phase matrix (#page=48, page=49). This is achieved through specific phase transformations induced by heat treatments. It is distinct from tempered martensite strengthening in steels, differing in the underlying hardening mechanisms [48](#page=48) [49](#page=49).
#### 4.3.1 Heat treatments for precipitation hardening
Precipitation hardening requires alloys that exhibit specific phase diagram characteristics: a significant maximum solubility of one component in another, and a solubility limit that drastically decreases with decreasing temperature (#page=50, page=51) [50](#page=50) [51](#page=51).
* **Solution heat treating:** The alloy is heated into the single-phase solid solution region (e.g., the $\alpha$ phase field) to dissolve all solute atoms. This is followed by rapid cooling (quenching) to a low temperature to suppress diffusion and prevent the formation of the second phase, resulting in a supersaturated solid solution. The alloy in this state is typically relatively soft and weak [51](#page=51).
* **Precipitation heat treating (aging):** The supersaturated solid solution is then heated to an intermediate temperature within the two-phase region. At this temperature, diffusion becomes appreciable, allowing the second phase ($\beta$ precipitate) to form as finely dispersed particles. The size, distribution, and character of these precipitate particles, which depend on aging temperature and time, determine the alloy's final strength and hardness (#page=51, page=52). Overaging occurs after prolonged aging times, leading to a reduction in strength and hardness as precipitate particles coarsen [51](#page=51) [52](#page=52).
#### 4.3.2 Mechanism of hardening
In precipitation hardening, the strengthening arises from the interaction of dislocations with the numerous fine precipitate particles (#page=52, page=53). These precipitates impede dislocation movement, thus increasing the alloy's yield strength and hardness. For example, in aluminum-copper alloys, initial hardening involves the formation of small clusters (zones), followed by transition phases ($\theta''$ and $\theta'$) before the equilibrium $\theta$ phase forms. Maximum strength is often achieved with the $\theta''$ phase. As precipitation temperature increases, the time required to reach peak strength decreases, but ductility tends to decrease with increasing strength [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54).
---
## Common mistakes to avoid
- Review all topics thoroughly before exams
- Pay attention to formulas and key definitions
- Practice with examples provided in each section
- Don't memorize without understanding the underlying concepts
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Ferrous alloy | An alloy where iron is the primary constituent, including steels and cast irons. These alloys are known for their abundance, economic production, and versatility in mechanical and physical properties, though they can be susceptible to corrosion. |
| Nonferrous alloy | An alloy that does not have iron as its principal constituent. This broad category includes alloys based on metals like copper, aluminum, magnesium, titanium, and others, each offering distinct property combinations for various applications. |
| Steel | An iron-carbon alloy that typically contains less than 1.0 wt% carbon, often with other alloying elements. Steels are highly versatile and can be heat-treated to achieve a wide range of mechanical properties, making them crucial engineering materials. |
| Cast iron | A class of ferrous alloys with carbon content generally above 2.14 wt%. Cast irons are easily melted and cast, and their properties depend heavily on the form of carbon present (graphite or cementite) and cooling rates during solidification. |
| Gray cast iron | A type of cast iron where graphite exists in the form of flakes, giving a gray appearance to fractured surfaces. It is known for its good damping capacity and wear resistance but is relatively weak and brittle in tension due to stress concentration at flake tips. |
| Ductile (nodular) iron | A type of cast iron where graphite is present in nodular or spherical shapes, achieved by adding magnesium and/or cerium. This form of graphite significantly improves strength and ductility compared to gray cast iron, with mechanical properties approaching those of steel. |
| Malleable cast iron | A type of cast iron produced by heat-treating white cast iron. The process decomposes cementite into graphite in the form of rosettes or clusters, resulting in improved strength and ductility, suitable for applications like connecting rods and pipe fittings. |
| Compacted graphite iron (CGI) | A cast iron with graphite in a wormlike or vermicular shape, intermediate between the flakes of gray iron and the nodules of ductile iron. CGIs offer a balance of properties, including higher thermal conductivity and better resistance to thermal shock than other cast irons. |
| Brass | An alloy of copper with zinc as the primary alloying element. Brasses vary in properties based on zinc content, with alpha (𝛼) brasses being soft and ductile, and alpha-beta (𝛼 + 𝛽) brasses being harder and stronger, suitable for applications like cartridge casings and automotive radiators. |
| Bronze | An alloy of copper with other elements such as tin, aluminum, silicon, or nickel. Bronzes are generally stronger than brasses while maintaining good corrosion resistance, making them suitable for bearings, gears, and steam fittings. |
| Aluminum alloy | Alloys where aluminum is the base metal, characterized by low density, good electrical and thermal conductivity, and corrosion resistance. They can be strengthened by cold work or heat treatment (precipitation hardening) and are widely used in aerospace and automotive industries. |
| Magnesium alloy | Alloys based on magnesium, known for their exceptionally low density, making them ideal for lightweight applications like aircraft components. They are typically processed by casting or hot working due to their limited cold deformability and susceptibility to corrosion in certain environments. |
| Titanium alloy | Alloys with titanium as the base metal, offering a combination of high strength, low density, high melting point, and excellent corrosion resistance. Their properties are influenced by the presence of alpha (𝛼) and beta (𝛽) phases, leading to classifications like 𝛼, 𝛽, and 𝛼 + 𝛽 alloys. |
| Refractory metals | Metals characterized by extremely high melting temperatures, including niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), and tantalum (Ta). Their strong interatomic bonding results in high strength, hardness, and elastic moduli, making them suitable for high-temperature applications. |
| Superalloys | Alloys designed to withstand extreme conditions, particularly high temperatures and oxidizing environments, commonly used in aircraft turbine components. They are based on iron, nickel, or cobalt and possess excellent mechanical integrity under severe operating conditions. |
| Noble metals | A group of precious metals known for their softness, ductility, and superior oxidation resistance. This includes silver, gold, platinum, palladium, and others, frequently used in jewelry, dental restorations, and catalytic applications. |
| Hot working | A metal forming process where deformation occurs at a temperature above the recrystallization temperature. This allows for large deformations, requires less energy, and results in a fine-grained, ductile product, though surface oxidation can be a concern. |
| Cold working | A metal forming process where deformation occurs at temperatures below the recrystallization temperature. It leads to increased strength and hardness due to strain hardening but reduces ductility. Advantages include better surface finish and dimensional control. |
| Forging | A forming operation that shapes metal by applying localized compressive forces, typically through repeated blows or continuous squeezing. It results in excellent grain structure and mechanical properties, used for components like wrenches and crankshafts. |
| Rolling | A deformation process where a metal piece is passed between two rotating rolls to reduce its thickness. It is widely used for producing sheet, strip, foil, and various structural shapes like I-beams and rails. |
| Extrusion | A forming process where a metal billet is forced through a die orifice by a ram. This creates a continuous profile with a reduced cross-sectional area, suitable for producing rods, tubing, and complex shapes. |
| Drawing | A forming process where a metal piece is pulled through a tapered die by a tensile force. This reduces the cross-sectional area and increases the length, commonly used for producing wire, rods, and tubing. |
| Casting | A fabrication process where molten metal is poured into a mold cavity of a desired shape and allowed to solidify. It is used for complex shapes, alloys with low ductility, or when casting is more economical than other methods. |
| Sand casting | A casting technique using ordinary sand as the mold material. It is a versatile and widely used method for producing large and complex parts such as engine blocks and pipe fittings. |
| Die casting | A casting process where molten metal is injected into a permanent metal mold (die) under high pressure. This method allows for rapid production and intricate details, typically used for low-melting-point alloys like aluminum and zinc. |
| Investment casting (Lost-wax casting) | A casting process where a wax or plastic pattern is coated with a ceramic slurry to form a mold. After the pattern is melted out, molten metal is poured in, producing castings with high dimensional accuracy and fine detail, often used for jewelry and turbine blades. |
| Lost-foam casting | A variation of investment casting that uses a foam pattern which vaporizes when molten metal is poured into the mold. This process is simpler, quicker, and less expensive than traditional investment casting, suitable for complex geometries. |
| Continuous casting (Strand casting) | A process where molten metal is continuously solidified into a strand with a specific cross-section. This method is efficient and produces metal with more uniform composition and properties compared to ingot casting. |
| Powder metallurgy (P/M) | A fabrication technique involving the compaction of metal powder into a desired shape, followed by a heat treatment to achieve densification. It is effective for producing parts from metals with low ductility or high melting points and for achieving tight dimensional tolerances. |
| Welding | A joining process where two or more metal parts are fused together to form a single piece, typically by melting the base metals and often using a filler material. The heat-affected zone (HAZ) adjacent to the weld can experience microstructural and property changes. |
| 3D printing (Additive Manufacturing) | A fabrication technology where functional objects are created by incrementally adding material, often in a layer-like fashion, from digital design data. It allows for complex geometries, customization, and reduced material waste. |
| Direct energy deposition (DED) | A 3D printing technique where a focused energy source (laser or electron beam) melts metal powder or wire as it is deposited onto a surface, building up a part layer by layer. It is analogous to multipass welding. |
| Powder bed fusion (PBF) | A 3D printing technique where a layer of powder is selectively melted or sintered by an energy source (laser or electron beam). The process is repeated layer by layer to build the final object, with unmelted powder being recovered. |
| Annealing | A heat treatment involving heating a material to an elevated temperature for a specific duration, followed by slow cooling. It is used to relieve stresses, increase softness, ductility, and toughness, or to produce a specific microstructure. |
| Process annealing | An annealing heat treatment used to soften and increase the ductility of a previously strain-hardened metal. It allows for further plastic deformation during fabrication processes by promoting recovery and recrystallization. |
| Stress relief | A heat treatment performed to eliminate internal residual stresses within a metal piece. It involves heating to a moderate temperature and slow cooling, preventing distortion or warpage caused by stored stresses from processes like machining or welding. |
| Normalizing | A heat treatment for steels that involves heating above the upper critical temperature (austenitizing) and then cooling in air. It refines the grain structure, producing a more uniform and desirable distribution of pearlite, enhancing toughness. |
| Full annealing | A heat treatment for low- and medium-carbon steels where the material is heated above the A3 or A1 line, held to form austenite, and then furnace cooled slowly. This results in a coarse pearlite microstructure, yielding maximum softness and ductility for machining or deformation. |
| Spheroidizing | A heat treatment that converts the carbide phase in medium- and high-carbon steels into spherical particles (spheroids) within a ferrite matrix. This process maximizes softness and ductility, making the steel easier to machine or deform. |
| Hardenability | A measure of the depth to which a steel alloy can be hardened by the formation of martensite upon quenching. It is influenced by alloy composition and dictates how effectively the material can achieve a desired hardness throughout its cross-section. |
| Jominy end-quench test | A standardized test used to determine the hardenability of steel. A specimen is quenched from one end, creating a gradient of cooling rates, and hardness measurements are taken along its length to generate a hardenability curve. |
| Precipitation hardening | A heat treatment process used to strengthen certain alloys by forming extremely small, uniformly dispersed particles of a second phase (precipitates) within the matrix. This impedes dislocation movement, increasing strength and hardness. |
| Solution heat treatment | The first step in precipitation hardening, where the alloy is heated to dissolve all solute atoms into a single-phase solid solution. Rapid cooling (quenching) then preserves this supersaturated state at a lower temperature. |
| Precipitation heat treatment | The second step in precipitation hardening, where the supersaturated solid solution is heated to an intermediate temperature to allow fine precipitate particles to form and grow over time. This controlled aging process leads to increased strength and hardness. |
| Overaging | The stage in precipitation hardening where prolonged aging at an elevated temperature causes the precipitate particles to grow too large, leading to a decrease in strength and hardness. |
| Temper designation | A code used for aluminum alloys to indicate the condition of the material, which is achieved through specific heat treatments or strain hardening. Examples include F (as-fabricated), O (annealed), H (strain-hardened), W (solution heat-treated), and T (solution heat-treated and stabilized). |
| Specific strength | A material property defined as the ratio of tensile strength to specific gravity. It is an important consideration for lightweight applications, such as in the transportation industry, where high strength-to-weight ratios are desirable. |
| Weld metal | The region within a fusion weld that consists of melted and re-solidified base metal and any filler metal. Its composition and microstructure can differ from the base metal. |
| Heat-affected zone (HAZ) | The region adjacent to the weld metal in a welded joint that has not been melted but has undergone microstructural or property changes due to the heat of welding. |
| Austenitizing | The process of heating a ferrous alloy to a temperature at which it transforms into austenite. This is a critical step in many heat treatments for steels, such as hardening. |
| Martensite | A very hard and brittle phase formed in steels by rapid cooling (quenching) from the austenite phase. Its formation is dependent on the cooling rate and alloy composition. |
| Pearlite | A lamellar microstructure in steels consisting of alternating layers of ferrite and cementite. It is typically formed upon slow cooling of austenite and is relatively soft and ductile. |
| Bainite | A microstructure in steels that forms at cooling rates intermediate between those that produce pearlite and martensite. It consists of fine carbide precipitates dispersed within a ferrite matrix and offers a good combination of strength and toughness. |
| Cementite | A hard, brittle intermetallic compound of iron and carbon ($Fe_3C$), with a fixed composition of 6.7 wt% C. It is a key constituent in many steels and cast irons. |
| Ferrite | A solid solution of carbon in alpha-iron (BCC iron structure). It is relatively soft and ductile and is a primary constituent in many steels and cast irons. |
| Austenite | A solid solution of carbon in gamma-iron (FCC iron structure). It exists at elevated temperatures in iron-carbon alloys and is the phase from which martensite, pearlite, or bainite can form upon cooling. |
| Alloy steel | Steels to which specific amounts of alloying elements (other than carbon) are added to improve properties such as hardenability, strength, toughness, or corrosion resistance. Examples include chromium, nickel, molybdenum, and vanadium steels. |
| Plain carbon steel | Steels containing carbon as the primary alloying element, with only small residual amounts of other impurities like manganese, silicon, phosphorus, and sulfur. Their properties are largely determined by carbon content and heat treatment. |
| High-strength, low-alloy (HSLA) steel | Low-carbon steels with small additions of alloying elements (e.g., copper, vanadium, niobium) to enhance strength and toughness without significantly sacrificing ductility or weldability. |
| Tool steel | High-carbon steels, often alloyed with elements like chromium, tungsten, and vanadium, designed for hardness, wear resistance, and ability to hold a sharp cutting edge. Used for cutting tools, dies, and molds. |
| Stainless steel | Steels containing a minimum of 11 wt% chromium, providing excellent resistance to corrosion and oxidation. They are classified by their microstructure: ferritic, austenitic, or martensitic. |
| Lower critical temperature ($A_1$) | The temperature below which austenite transforms into ferrite and cementite under equilibrium conditions in the iron-carbon phase diagram. |
| Upper critical temperature ($A_3$ or $A_{cm}$) | The temperature above which austenite is the sole phase present in hypoeutectoid ($A_3$) or hypereutectoid ($A_{cm}$) steels, respectively. |
| Natural aging | Precipitation hardening that occurs spontaneously at room temperature over time, often observed in certain aluminum alloys. |
| Artificial aging | Precipitation hardening performed at elevated temperatures to accelerate the formation and growth of precipitate particles. |
Cover
Chapter 8 Failure.pdf
Summary
# Introduction to material failure and fracture mechanics
Understanding material failure is crucial for engineers to prevent undesirable consequences such as loss of life, economic losses, and disruption of services. This section introduces the concept of material failure and provides an initial overview of fracture mechanics, focusing on simple fracture, ductile fracture, and brittle fracture [2](#page=2) [3](#page=3).
### 1.1 Importance of studying failure
* Failure of engineering materials is almost always undesirable due to its potential to endanger lives, cause economic losses, and disrupt the availability of products and services [2](#page=2).
* Common causes of failure include improper material selection and processing, inadequate component design, and misuse of components [2](#page=2).
* Damage can also occur during service, necessitating regular inspection, repair, or replacement for safe design [2](#page=2).
* Engineers are responsible for anticipating and planning for potential failures, assessing their causes, and implementing preventive measures [2](#page=2).
### 1.2 Overview of fracture mechanics
Fracture mechanics is a field that studies the behavior of materials and structures under conditions of crack propagation. A fundamental principle is that applied tensile stress is amplified at the tip of a small incision or notch, which can initiate and drive crack growth [1](#page=1) [2](#page=2).
### 1.3 Simple fracture
Simple fracture refers to the separation of a body into two or more pieces under a static or slowly changing stress at temperatures significantly below the material's melting point. This discussion primarily focuses on fractures resulting from uniaxial tensile loads. Fracture can also occur due to fatigue (cyclic stresses) and creep (time-dependent deformation at elevated temperatures), which are discussed in later sections [3](#page=3).
> **Tip:** While this section focuses on tensile loads, remember that fracture can also be initiated by compressive, shear, or torsional stresses [3](#page=3).
### 1.4 Modes of fracture: ductile and brittle
Two primary modes of fracture exist for metals: ductile and brittle. The classification is based on the material's ability to undergo plastic deformation [3](#page=3).
#### 1.4.1 Ductile fracture
* Characterized by substantial plastic deformation and high energy absorption before fracture [3](#page=3).
* Crack propagation is relatively slow and often occurs after a moderate amount of necking [3](#page=3).
* The crack is typically considered stable, meaning it resists further extension unless the applied stress increases [3](#page=3).
* Fracture surfaces often exhibit evidence of significant gross deformation, such as twisting and tearing [3](#page=3).
* Ductile fracture is generally preferred because the plastic deformation provides a warning that failure is imminent, allowing for preventive actions [3](#page=3).
* These materials also require more strain energy to fracture, indicating they are generally tougher [3](#page=3).
> **Example:** Photograph (a) in the document illustrates how a small incision in a plastic package makes it easier to tear open, demonstrating the principle of stress amplification at a notch leading to easier crack propagation [1](#page=1).
#### 1.4.2 Brittle fracture
* Accompanied by little to no plastic deformation and low energy absorption [3](#page=3).
* Cracks can spread extremely rapidly, often spontaneously, without a significant increase in applied stress [3](#page=3).
* Such cracks are considered unstable [3](#page=3).
* Brittle fracture is dangerous because it occurs suddenly and catastrophically without warning [3](#page=3).
> **Example:** Photograph (b) depicts an oil tanker that fractured in a brittle manner due to crack propagation around its girth, initiated by a small flaw where stresses were amplified. Photograph (c) shows an aircraft that experienced explosive decompression and structural failure attributed to metal fatigue aggravated by corrosion, leading to crack propagation [1](#page=1).
### 1.5 Factors influencing ductility
Ductility is a relative term and depends on several factors [3](#page=3):
* **Temperature:** Lower temperatures can cause normally ductile materials to exhibit brittle behavior [3](#page=3).
* **Strain rate:** Higher strain rates can also promote brittle fracture [3](#page=3).
* **Stress state:** Complex stress states can influence the fracture mode [3](#page=3).
> **Tip:** Understanding how temperature, strain rate, and stress state affect ductility is critical for predicting and preventing failure in various service conditions [3](#page=3).
### 1.6 Crack formation and propagation
Any fracture process involves two fundamental steps: crack formation and crack propagation, both driven by an imposed stress. The mechanism of crack propagation is key to determining the mode of fracture [3](#page=3).
### 1.7 Fracture mechanics principles
* An applied tensile stress is amplified at the tip of a small incision or notch. This stress concentration is a core concept in fracture mechanics and explains why sharp flaws are more dangerous than blunt ones [1](#page=1).
* Understanding this amplification is essential for designing components that can resist crack initiation and propagation [1](#page=1).
### 1.8 Key topics in fracture mechanics (as outlined in the document)
The broader chapter covers several topics related to material failure, including:
* Simple fracture (ductile and brittle modes) [2](#page=2).
* Fundamentals of fracture mechanics [2](#page=2).
* Fracture toughness testing [2](#page=2).
* The ductile-to-brittle transition [2](#page=2).
* Fatigue [2](#page=2).
* Creep [2](#page=2).
---
# Ductile and brittle fracture mechanisms and analysis
This section details the mechanisms of ductile and brittle fracture, including their characteristics, fractographic studies, and the principles of fracture mechanics like stress concentration and fracture toughness.
### 2.1 Fracture fundamentals
Fracture is the separation of a body into two or more pieces due to an imposed static stress at temperatures significantly below the material's melting point. Fatigue and creep fracture, occurring under cyclic or time-dependent deformation respectively, are addressed separately. This discussion focuses on fracture resulting from uniaxial tensile loads [3](#page=3).
For metals, two primary fracture modes exist: ductile and brittle, distinguished by their capacity for plastic deformation. Ductile materials exhibit substantial plastic deformation and high energy absorption before fracture, while brittle fracture involves little to no plastic deformation and low energy absorption. Ductility is a relative term influenced by temperature, strain rate, and stress state [3](#page=3).
All fracture processes involve crack formation and propagation. Ductile fracture is characterized by extensive plastic deformation near the crack tip, progressing slowly and being considered "stable" as it resists extension without increased stress. Brittle fracture involves rapid crack propagation with minimal plastic deformation, considered "unstable" as it can proceed spontaneously [3](#page=3).
Ductile fracture is generally preferred due to two main advantages:
* It provides warning signs through plastic deformation before imminent failure, unlike the sudden and catastrophic nature of brittle fracture [3](#page=3).
* It requires more strain energy, indicating higher toughness [3](#page=3).
Metals often exhibit ductile behavior, ceramics are typically brittle, and polymers can show a range of behaviors [3](#page=3).
### 2.2 Ductile fracture
Ductile fracture surfaces display distinct macroscopic and microscopic features [3](#page=3).
#### 2.2.1 Macroscopic fracture profiles
* **Highly ductile fracture:** In very soft metals (e.g., pure gold, lead) or other materials at elevated temperatures, the specimen may neck down to a point, exhibiting near 100% reduction in area [3](#page=3).
* **Moderately ductile fracture (Cup-and-cone):** This is the most common tensile fracture profile in ductile metals. It involves several stages [3](#page=3):
1. **Necking:** The cross-section begins to reduce in area [4](#page=4).
2. **Microvoid formation:** Small cavities form in the interior of the cross-section [4](#page=4).
3. **Coalescence:** These microvoids enlarge and merge to form an elliptical crack, oriented perpendicular to the stress direction [4](#page=4).
4. **Crack propagation:** The crack grows parallel to its major axis via microvoid coalescence [4](#page=4).
5. **Final fracture:** The crack propagates rapidly around the outer perimeter of the neck by shear deformation at approximately 45° to the tensile axis (where shear stress is maximum). This results in one mating surface appearing as a "cup" and the other as a "cone". The central region of the fracture surface is often fibrous, indicating plastic deformation [4](#page=4).
#### 2.2.2 Fractographic studies
Microscopic examination, typically with a scanning electron microscope (SEM), reveals detailed fracture mechanisms [5](#page=5).
* **Dimples:** The fibrous central region of a cup-and-cone fracture surface, when viewed under high magnification, shows numerous spherical "dimples". Each dimple represents half of a microvoid that formed and separated during fracture [5](#page=5).
* **Shear dimples:** Dimples on the 45° shear lip of a cup-and-cone fracture are elongated or C-shaped, indicative of shear failure [5](#page=5).
Fractographs provide valuable information for analyzing fracture mode, stress state, and crack initiation sites [5](#page=5).
### 2.3 Brittle fracture
Brittle fracture occurs rapidly with negligible plastic deformation, and the crack propagates nearly perpendicular to the applied tensile stress, resulting in a relatively flat fracture surface [5](#page=5).
#### 2.3.1 Macroscopic fracture features
* **Chevron markings:** In some brittle materials like certain steels, V-shaped markings ("chevrons") may be observed pointing back towards the crack origin [5](#page=5).
* **Radial ridges:** Other brittle fracture surfaces exhibit lines or ridges radiating from the crack origin in a fan-like pattern [5](#page=5).
* **Smooth surfaces:** Very hard, fine-grained metals may show no discernible fracture pattern. Amorphous materials like ceramic glasses typically present a shiny and smooth fracture surface [6](#page=6).
#### 2.3.2 Microscopic fracture mechanisms
* **Cleavage:** In most brittle crystalline materials, crack propagation involves the repeated breaking of atomic bonds along specific crystallographic planes. This is known as transgranular fracture, as the cracks pass through the grains. Macroscopically, the surface may appear grainy or faceted due to variations in cleavage plane orientation between grains [6](#page=6).
* **Intergranular fracture:** In some alloys, cracks propagate along grain boundaries. This occurs when grain boundary regions are weakened or embrittled. The fracture surface can reveal the three-dimensional structure of the grains [7](#page=7).
### 2.4 Principles of fracture mechanics
Fracture mechanics quantifies the relationship between material properties, stress, crack-producing flaws, and crack propagation [7](#page=7).
#### 2.4.1 Stress concentration
Theoretical calculations of fracture strength are often higher than measured values due to the presence of microscopic flaws and cracks. These flaws amplify applied stress at their tips, a phenomenon known as stress concentration. The localized stress ($\sigma_m$) at a crack tip can be approximated by [8](#page=8):
$$ \sigma_m = 2\sigma_0\left(\frac{a}{\rho_t}\right)^{1/2} \quad (8.1) $$
where $\sigma_0$ is the nominal applied tensile stress, $\rho_t$ is the radius of curvature of the crack tip, and $a$ is the crack length (or half-length for an internal crack) [8](#page=8).
The stress concentration factor ($K_t$) quantifies this amplification:
$$ K_t = \frac{\sigma_m}{\sigma_0} = 2\left(\frac{a}{\rho_t}\right)^{1/2} \quad (8.2) $$
Stress concentration also occurs at macroscopic discontinuities like voids, inclusions, sharp corners, and scratches. The effect is more pronounced in brittle materials, as ductile materials can undergo plastic deformation to redistribute stress [9](#page=9).
#### 2.4.2 Critical stress for crack propagation
In a brittle material, the critical stress ($\sigma_c$) required for crack propagation can be expressed as:
$$ \sigma_c = \left(\frac{2E\gamma_s}{\pi a}\right)^{1/2} \quad (8.3) $$
where $E$ is the modulus of elasticity and $\gamma_s$ is the specific surface energy. When the stress at a flaw tip exceeds this critical value, a crack forms and propagates, leading to fracture [10](#page=10).
> **Tip:** The concept of critical stress explains why materials with tiny flaws have significantly lower fracture strengths than theoretically predicted based on atomic bonding energies.
**Example Problem 8.1: Maximum Flaw Length Computation**
A glass plate subjected to a tensile stress of 40 MPa has a specific surface energy of 0.3 J/m$^2$ and a modulus of elasticity of 69 GPa. To find the maximum flaw length possible without fracture, we rearrange Equation 8.3:
$$ a = \frac{2E\gamma_s}{\pi \sigma_c^2} $$
Substituting the given values:
$$ a = \frac{ (69 \times 10^9 \, \text{N/m}^2)(0.3 \, \text{J/m}^2)}{\pi(40 \times 10^6 \, \text{N/m}^2)^2} = 8.2 \times 10^{-6} \, \text{m} = 8.2 \, \mu\text{m} $$ [2](#page=2).
Thus, the maximum length of a surface flaw that can exist without causing fracture is 8.2 micrometers [10](#page=10).
#### 2.4.3 Fracture toughness
Fracture toughness ($K_c$) quantifies a material's resistance to brittle fracture in the presence of a crack. It relates critical stress for crack propagation ($\sigma_c$) and crack length ($a$) through the equation [10](#page=10):
$$ K_c = Y\sigma_c\sqrt{\pi a} \quad (8.4) $$
$K_c$ has units of MPa$\sqrt{\text{m}}$ or psi$\sqrt{\text{in.}}$. $Y$ is a dimensionless parameter dependent on crack and specimen geometry, and loading conditions [10](#page=10).
For thin specimens, $K_c$ depends on thickness. However, when specimen thickness significantly exceeds crack dimensions, $K_c$ becomes independent of thickness, defining a condition of **plane strain**. Under plane strain conditions, the fracture toughness is denoted as the **plane strain fracture toughness**, $K_{Ic}$. This is defined for mode I (opening or tensile) crack displacement [11](#page=11):
$$ K_{Ic} = Y\sigma\sqrt{\pi a} \quad (8.5) $$
$K_{Ic}$ is the fracture toughness typically cited for most situations. Materials with low $K_{Ic}$ values are susceptible to catastrophic failure, while ductile materials have higher $K_{Ic}$ values [11](#page=11).
> **Tip:** Plane strain fracture toughness ($K_{Ic}$) is a critical material property for designing against brittle fracture, especially in structures where significant flaws might be present.
The plane strain fracture toughness is influenced by temperature, strain rate, and microstructure. $K_{Ic}$ generally decreases with increasing strain rate and decreasing temperature. It typically increases with decreasing grain size and can decrease with additions that enhance yield strength [12](#page=12).
#### 2.4.4 Design using fracture mechanics
Designing with fracture mechanics involves considering fracture toughness ($K_c$ or $K_{Ic}$), applied stress ($\sigma$), and flaw size ($a$) [12](#page=12).
* **Design stress calculation:** If $K_{Ic}$ and allowable flaw size ($a$) are known, the critical design stress ($\sigma_c$) can be calculated:
$$ \sigma_c = \frac{K_{Ic}}{Y\sqrt{\pi a}} \quad (8.6) $$
* **Maximum allowable flaw size calculation:** If stress ($\sigma$) and fracture toughness ($K_{Ic}$) are fixed, the maximum allowable flaw size ($a_c$) can be determined:
$$ a_c = \frac{1}{\pi}\left(\frac{K_{Ic}}{\sigma Y}\right)^2 \quad (8.7) $$
Nondestructive testing (NDT) techniques are employed to detect and measure flaws, aiding in quality control and in-service inspection [13](#page=13).
**Design Example 8.1: Material Specification for a Pressurized Cylindrical Tank**
A thin-walled cylindrical tank (radius 0.5 m, thickness 8.0 mm) contains a fluid at 2.0 MPa pressure. The hoop stress ($\sigma_h$) is calculated as:
$$ \sigma_h = \frac{pr}{t} = \frac{(2.0 \, \text{MPa})(0.5 \, \text{m})}{8.0 \times 10^{-3} \, \text{m}} = 125 \, \text{MPa} $$
The design considers two failure scenarios:
1. **Leak-before-break (LBB):** The crack penetrates the wall before catastrophic failure, allowing detection by leakage. This occurs when the critical crack length ($c_c$) is greater than or equal to the wall thickness ($t$). The critical crack length is given by [14](#page=14):
$$ c_c = \frac{1}{\pi N^2}\left(\frac{K_{Ic}}{\sigma_h}\right)^2 \quad (8.10) $$
where $N$ is a factor of safety (given as 3.0).
2. **Brittle fracture:** Rapid crack propagation occurs when the crack reaches a critical length shorter than that for LBB [14](#page=14).
For steel alloy 4140 tempered at 370°C, with a minimum $K_{Ic}$ of 55 MPa$\sqrt{\text{m}}$, the critical crack length is:
$$ c_c = \frac{1}{\pi ^2}\left(\frac{55 \, \text{MPa}\sqrt{\text{m}}}{125 \, \text{MPa}}\right)^2 = 6.8 \times 10^{-3} \, \text{m} = 6.8 \, \text{mm} $$ [3](#page=3).
Since $c_c$ (6.8 mm) is less than the wall thickness (8.0 mm), LBB is unlikely for this steel alloy. Brittle fracture is likely for alloys not meeting the LBB criterion [15](#page=15) [16](#page=16).
Standardized tests, developed by organizations like ASTM, are used to measure fracture toughness values, typically involving specimens with pre-existing sharp cracks [16](#page=16).
---
# Fracture toughness testing and ductile-to-brittle transition
This section details methods for assessing fracture toughness and explains the phenomenon of the ductile-to-brittle transition in materials.
### 3.1 Fracture toughness testing
Fracture toughness testing aims to determine a material's resistance to fracture under specific conditions, using established criteria before results are considered acceptable. While most tests are for metals, some have been adapted for ceramics, polymers, and composites [17](#page=17).
#### 3.1.1 Impact testing techniques
Before the development of fracture mechanics, impact testing methods were established to evaluate fracture characteristics at high loading rates, as laboratory tensile tests (at low loading rates) could not reliably predict fracture behavior. These tests simulate severe fracture conditions, including low temperatures, high strain rates, and triaxial stress states, often introduced by notches [17](#page=17).
##### 3.1.1.1 Charpy and Izod tests
The Charpy and Izod tests are standardized methods to measure impact energy, sometimes referred to as notch toughness. The Charpy V-notch (CVN) technique is widely used in the United States. Both tests employ specimens with a square cross-section and a machined V-notch [17](#page=17).
The testing apparatus involves a pendulum hammer released from a fixed height ($h$) that strikes the notched specimen at its base. The hammer's subsequent swing to a maximum height ($h'$) allows for the calculation of absorbed energy, which is the difference between $h$ and $h'$. The notch serves as a stress concentration point for the high-velocity impact. The primary distinction between Charpy and Izod tests lies in the specimen support method [17](#page=17).
> **Tip:** Impact tests are considered qualitative and are primarily useful for relative comparisons and identifying the ductile-to-brittle transition, rather than for precise design calculations. Plane strain fracture toughness tests, though more complex and expensive, provide quantitative fracture properties like $K_{Ic}$ [17](#page=17).
##### 3.1.1.2 Relationship between impact tests and fracture toughness
Attempts to correlate plane strain fracture toughness values with Charpy V-notch energies have yielded limited success. While impact tests are simpler and less costly to perform than fracture toughness tests, their results are more qualitative and less directly applicable to design engineering [17](#page=17).
### 3.2 Ductile-to-brittle transition
A critical function of the Charpy and Izod tests is to identify if a material undergoes a ductile-to-brittle transition as temperature decreases, and to map the temperature range over which this occurs. This phenomenon can have severe consequences, as exemplified by failures in steel structures like oil tankers [17](#page=17).
#### 3.2.1 Characteristics of the transition
The ductile-to-brittle transition is characterized by a temperature-dependent change in impact energy absorption. For a typical steel, as temperature decreases, the Charpy V-notch (CVN) impact energy drops significantly over a narrow temperature range, transitioning from a high energy absorption at higher temperatures (ductile fracture) to a low, constant energy absorption at lower temperatures (brittle fracture). This behavior is represented by curve A in Figure 8.14 [18](#page=18) [19](#page=19).
> **Example:** The catastrophic splitting of welded transport ships during World War II is a classic example of failure due to the ductile-to-brittle transition. The steel alloy used had adequate toughness in room-temperature tensile tests, but brittle fractures occurred at relatively low ambient temperatures (around 4 °C [40°F]), close to the material's transition temperature [20](#page=20).
#### 3.2.2 Fracture surface appearance
The appearance of the fracture surface provides insight into the fracture mode and can aid in determining transition temperatures. Ductile fractures exhibit a fibrous or dull appearance, indicative of shear. Conversely, brittle fractures present a granular, shiny texture, characteristic of cleavage. Over the transition range, fracture surfaces will show characteristics of both ductile and brittle modes [19](#page=19).
> **Tip:** Plotting the percentage of shear fracture against temperature (curve B in Figure 8.14) provides another perspective on the ductile-to-brittle transition [19](#page=19).
#### 3.2.3 Defining the transition temperature
Specifying a single ductile-to-brittle transition temperature can be challenging due to the transition occurring over a temperature range. Common definitions include the temperature at which the CVN energy reaches a specific value (e.g., 20 J or 15 ft-lb$_{f}$) or corresponds to a certain fracture appearance (e.g., 50% fibrous fracture). Different criteria may yield different transition temperatures [19](#page=19).
A conservative approach defines the transition temperature as that at which the fracture surface becomes 100% fibrous. For the steel in Figure 8.14, this is approximately 110°C (230°F) [19](#page=19).
#### 3.2.4 Factors influencing the transition
For low-strength steels with a BCC crystal structure, the transition temperature is sensitive to alloy composition and microstructure [20](#page=20).
* **Grain size:** Decreasing the average grain size lowers the transition temperature, thereby strengthening and toughening the steel [20](#page=20).
* **Carbon content:** Increasing carbon content raises the CVN transition temperature, even though it increases steel strength [20](#page=20).
#### 3.2.5 General types of impact energy-temperature behavior
Materials exhibit three general types of impact energy versus temperature behavior [20](#page=20):
* **Upper Curve:** Low-strength FCC and HCP metals (e.g., some aluminum and copper alloys) do not typically undergo a ductile-to-brittle transition and maintain high impact energies (toughness) even at low temperatures [20](#page=20).
* **Middle Curve:** This represents the characteristic ductile-to-brittle transition observed in low-strength steels with a BCC crystal structure [20](#page=20).
* **Lower Curve:** High-strength materials, such as high-strength steels and titanium alloys, have impact energies that are relatively insensitive to temperature. However, these materials are generally very brittle, as indicated by their consistently low impact energies [20](#page=20).
#### 3.2.6 Transition in other materials
Most ceramics and polymers also experience a ductile-to-brittle transition. For ceramics, this transition typically occurs at very high temperatures, often exceeding 1000°C (1850°F). The transition behavior in polymers is discussed elsewhere [20](#page=20).
---
# Fatigue failure analysis and influencing factors
Fatigue is a failure mode in materials subjected to cyclic stresses, leading to failure at stress levels significantly lower than static strengths, and typically occurs suddenly and without warning [21](#page=21).
### 4.1 Cyclic stresses
Cyclic stresses are fluctuating stresses applied to a material over time. These stresses can be axial, flexural, or torsional. The nature of the stress cycle can be characterized by several parameters [21](#page=21):
* **Mean stress ($\sigma_m$)**: The average of the maximum and minimum stresses in a cycle.
$$ \sigma_m = \frac{\sigma_{max} + \sigma_{min}}{2} $$ [21](#page=21).
* **Stress range ($\sigma_r$)**: The difference between the maximum and minimum stresses.
$$ \sigma_r = \sigma_{max} - \sigma_{min} $$ [21](#page=21).
* **Stress amplitude ($\sigma_a$)**: Half of the stress range.
$$ \sigma_a = \frac{\sigma_r}{2} = \frac{\sigma_{max} - \sigma_{min}}{2} $$ [21](#page=21).
* **Stress ratio (R)**: The ratio of the minimum stress to the maximum stress. Tensile stresses are conventionally positive, and compressive stresses are negative.
$$ R = \frac{\sigma_{min}}{\sigma_{max}} $$ [21](#page=21).
For a reversed stress cycle, where the stress alternates symmetrically about zero, $R = -1$ [21](#page=21).
> **Tip:** Increasing the stress ratio $R$ leads to a decrease in stress amplitude $\sigma_a$ [22](#page=22).
### 4.2 The S-N curve
The fatigue behavior of materials is typically represented by S-N curves, which plot stress (S) against the logarithm of the number of cycles to failure (N). These curves are generated from laboratory tests, commonly using rotating-bending machines that impose reversed stress cycles ($R = -1$) [23](#page=23).
* **Fatigue limit (or endurance limit)**: For some ferrous and titanium alloys, the S-N curve becomes horizontal at high N values, indicating a limiting stress level below which fatigue failure will not occur. This is the largest fluctuating stress that can be sustained for an essentially infinite number of cycles. For many steels, the fatigue limit is between 35% and 60% of the tensile strength [23](#page=23).
* **Fatigue strength**: For materials like aluminum and copper alloys, which do not exhibit a fatigue limit, fatigue response is specified as fatigue strength. This is the stress level at which failure occurs for a specific number of cycles, e.g., $10^7$ cycles [24](#page=24).
* **Fatigue life ($N_f$)**: The number of cycles to cause failure at a specified stress level [24](#page=24).
> **Tip:** Fatigue S-N curves often show considerable scatter in data due to variations in specimen preparation, material properties, alignment, mean stress, and test frequency. The curves typically represent average values [25](#page=25) [26](#page=26).
#### 4.2.1 Low-cycle vs. High-cycle fatigue
Fatigue behavior can be divided into two domains:
* **Low-cycle fatigue**: Occurs at relatively high loads, causing both elastic and plastic deformation in each cycle. This results in shorter fatigue lives, typically less than $10^4$ to $10^5$ cycles [26](#page=26).
* **High-cycle fatigue**: Occurs at lower stress levels where deformations are entirely elastic, leading to longer fatigue lives, generally greater than $10^4$ to $10^5$ cycles [26](#page=26).
> **Example:** A rotating-bending test on a 15.0 mm diameter 1045 steel bar requires a maximum cyclic load of 1712 N to ensure no fatigue failure, assuming a factor of safety of 2.0 and a fatigue limit of 310 MPa [26](#page=26).
> **Example:** To ensure a 70Cu-30Zn brass bar subjected to axial tension-compression with a load amplitude of 10,000 N does not fail at $10^7$ cycles with a factor of safety of 2.5, the minimum diameter must be 16.6 mm, based on a fatigue strength of 115 MPa [27](#page=27).
### 4.3 Crack initiation and propagation
Fatigue failure proceeds in three distinct stages:
1. **Crack initiation**: A small crack forms at a point of high stress concentration, often on the surface. Common initiation sites include surface scratches, fillets, threads, and microscopic surface discontinuities from dislocation slip steps [27](#page=27) [28](#page=28).
2. **Crack propagation**: The crack grows incrementally with each stress cycle. This stage is characterized by microscopic features like fatigue striations, where each striation ideally represents one cycle of crack advance. Beachmarks are macroscopic ridges representing periods of crack growth, often seen when the machine operates intermittently. Thousands of striations can exist within a single beachmark [27](#page=27) [28](#page=28).
3. **Final failure**: Occurs rapidly once the crack reaches a critical size. This final fracture region may exhibit ductile or brittle characteristics and does not typically show beachmarks or striations [27](#page=27) [29](#page=29).
> **Tip:** The presence of beachmarks and/or striations on a fracture surface strongly suggests fatigue failure. However, their absence does not rule out fatigue, as they may not be observable in all metals or conditions [29](#page=29).
### 4.4 Factors that affect fatigue life
Several factors significantly influence a material's fatigue resistance:
#### 4.4.1 Mean stress
Increasing the mean stress ($\sigma_m$) of a cyclic loading condition generally leads to a decrease in fatigue life, as represented by a downward shift of the S-N curves [30](#page=30).
#### 4.4.2 Surface effects
Since most fatigue cracks initiate at the surface, the surface condition is critical. Factors that improve fatigue resistance include:
* **Design Factors**: Geometric discontinuities (notches, holes, threads) act as stress raisers. Sharp corners and sudden contour changes should be avoided by using rounded fillets with large radii of curvature [30](#page=30).
* **Surface Treatments**:
* **Polishing**: Improving surface finish by polishing significantly enhances fatigue life by reducing surface irregularities [30](#page=30).
* **Shot peening**: This process introduces residual compressive stresses into the surface layer by plastically deforming it with high-velocity shot particles. This compression counteracts applied tensile stresses, reducing the likelihood of crack formation [31](#page=31).
* **Case hardening**: Techniques like carburizing or nitriding create a harder, carbon- or nitrogen-rich outer layer. This improves fatigue properties through increased surface hardness and the introduction of beneficial residual compressive stresses [31](#page=31).
> **Example:** Shot peening can significantly improve the fatigue life of steel, as shown by a higher S-N curve compared to untreated steel [31](#page=31).
#### 4.4.3 Environmental effects
External environments can also influence fatigue behavior, leading to phenomena like thermal fatigue and corrosion fatigue [31](#page=31).
---
# Creep behavior, its influencing factors, and high-temperature applications
Creep is the time-dependent, permanent deformation of materials under constant stress at elevated temperatures, often being the critical factor limiting a component's lifespan [32](#page=32).
### 5.1 Generalized creep behavior
Creep is studied through creep tests, where a specimen is subjected to a constant load or stress at a fixed temperature, with deformation measured over time. Most tests use constant load to gather engineering data, while constant stress tests offer deeper insight into creep mechanisms [32](#page=32) [33](#page=33).
#### 5.1.1 Typical creep curve
A typical constant-load creep curve for metals exhibits three distinct regions after an initial instantaneous elastic deformation [33](#page=33):
* **Primary (transient) creep:** Characterized by a continuously decreasing creep rate, indicating increasing creep resistance due to strain hardening [33](#page=33).
* **Secondary (steady-state) creep:** Features a constant creep rate, resulting in a linear portion of the strain-time plot. This stage is often the longest and represents a balance between strain hardening and recovery. The slope of this segment, $\Delta \epsilon / \Delta t$, is known as the minimum or steady-state creep rate, $\dot{\epsilon}_s$, and is a crucial engineering design parameter for long-life applications [33](#page=33) [34](#page=34).
* **Tertiary creep:** Marked by an accelerating creep rate leading to failure, often termed rupture. This is caused by microstructural changes like grain boundary separation, internal cracks, voids, or necking under tensile loads, which reduce the effective cross-sectional area. The total time to rupture is the rupture lifetime, $t_r$, which is critical for shorter-life applications like turbine blades [33](#page=33) [34](#page=34).
> **Tip:** Creep tests conducted to failure are called creep rupture tests, providing the rupture lifetime ($t_r$) as a design consideration [33](#page=33).
> **Tip:** For most materials, creep properties are largely independent of the loading direction, though uniaxial compression tests are preferred for brittle materials to avoid stress amplification and crack propagation [33](#page=33).
### 5.2 Stress and temperature effects
Both applied stress and temperature significantly influence creep characteristics. Below approximately 0.4$T_m$ (absolute melting temperature), strain is time-independent after initial deformation. Increasing either stress or temperature leads to [33](#page=33):
1. Increased instantaneous strain upon stress application [33](#page=33).
2. An increased steady-state creep rate ($\dot{\epsilon}_s$) [33](#page=33).
3. A decreased rupture lifetime ($t_r$) [33](#page=33).
#### 5.2.1 Empirical relationships for creep rate
Empirical relationships describe the steady-state creep rate ($\dot{\epsilon}_s$) as a function of stress ($\sigma$) and temperature ($T$):
* **Stress dependence:**
$$ \dot{\epsilon}_s = K_1 \sigma^n $$
where $K_1$ and $n$ are material constants. The stress exponent, $n$, can be determined by plotting $\log(\dot{\epsilon}_s)$ versus $\log(\sigma)$, which yields a straight line with a slope of $n$ [34](#page=34) [35](#page=35).
* **Stress and temperature dependence:**
$$ \dot{\epsilon}_s = K_2 \sigma^n \exp\left(-\frac{Q_c}{RT}\right) $$
where $K_2$ and $Q_c$ are constants. $Q_c$ is the activation energy for creep, and $R$ is the gas constant ($8.31$ J⋅mol/K) [35](#page=35).
> **Example:** Computation of Steady-State Creep Rate for Aluminum at $260$ °C.
> Given creep rate data for aluminum at $260$ °C and stresses of $3$ MPa and $25$ MPa, we can compute the steady-state creep rate at $10$ MPa.
> The relationship $\ln \dot{\epsilon}_s = \ln K_1 + n \ln \sigma$ is used.
> Using the provided data:
> $\ln(2.0 \times 10^{-4} \, \text{h}^{-1}) = \ln K_1 + n \ln(3 \, \text{MPa})$
> $\ln(3.65 \, \text{h}^{-1}) = \ln K_1 + n \ln(25 \, \text{MPa})$
> Solving these equations simultaneously yields $n \approx 4.63$ and $K_1 \approx 1.24 \times 10^{-6}$.
> Then, at $\sigma = 10 \, \text{MPa}$:
> $\dot{\epsilon}_s = (1.24 \times 10^{-6})(10 \, \text{MPa})^{4.63} \approx 5.3 \times 10^{-2} \, \text{h}^{-1}$ [36](#page=36).
#### 5.2.2 Creep mechanisms
Theoretical mechanisms explaining creep include stress-induced vacancy diffusion, grain boundary diffusion, dislocation motion, and grain boundary sliding. Each mechanism is associated with a specific value of the stress exponent ($n$) [36](#page=36).
* **Deformation mechanism maps:** These diagrams visually represent stress-temperature regimes where different creep mechanisms dominate, often including constant-strain-rate contours [36](#page=36).
### 5.3 Data extrapolation methods
Extrapolating creep data is essential for predicting behavior over prolonged service times, often achieved by conducting tests at higher temperatures for shorter durations and then extrapolating to the desired in-service condition [36](#page=36).
#### 5.3.1 Larson-Miller parameter
A commonly used extrapolation method is the Larson-Miller parameter ($m$), defined as:
$$ m = T(C + \log t_r) $$
where $T$ is the absolute temperature (Kelvin), $t_r$ is the rupture lifetime (hours), and $C$ is a material constant, typically around $20$. The rupture lifetime of a material at a specific stress level remains constant for a given Larson-Miller parameter value. Data can be plotted as the logarithm of stress versus the Larson-Miller parameter for design purposes [36](#page=36) [37](#page=37).
> **Example:** Rupture Lifetime Prediction for S-590 Alloy.
> Using Larson-Miller data for S-590 alloy, predict the time to rupture for a component under $140$ MPa stress at $800$ °C ($1073$ K).
> From a stress vs. Larson-Miller parameter plot (Figure $8.34$), at $140$ MPa, the Larson-Miller parameter is $24.0 \times 10^3$ (K-h).
> $24.0 \times 10^3 = 1073(20 + \log t_r)$
> Solving for $t_r$:
> $22.37 = 20 + \log t_r$
> $t_r = 10^{2.37} \approx 233$ hours (approximately $9.7$ days) [37](#page=37).
### 5.4 Factors influencing creep resistance
Several factors affect a material's resistance to creep [37](#page=37):
* **Melting temperature:** Higher melting temperatures generally correlate with better creep resistance [37](#page=37).
* **Elastic modulus:** A higher elastic modulus contributes to improved creep resistance [37](#page=37).
* **Grain size:** Larger grain sizes generally enhance creep resistance. Smaller grains allow for more grain boundary sliding, which increases creep rates. This is contrary to low-temperature mechanical behavior where smaller grains increase strength [37](#page=37).
### 5.5 Alloys for high-temperature applications
Materials commonly used in high-temperature service applications due to their creep resistance include stainless steels and superalloys [38](#page=38).
* **Superalloys:** Their creep resistance is enhanced by solid-solution alloying and the formation of precipitate phases. Advanced processing techniques like directional solidification, producing elongated grains or single-crystal components, further improve creep resistance in components like turbine blades [38](#page=38).
---
## Common mistakes to avoid
- Review all topics thoroughly before exams
- Pay attention to formulas and key definitions
- Practice with examples provided in each section
- Don't memorize without understanding the underlying concepts
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Fracture | The separation of a body into two or more pieces in response to an imposed stress. This can occur through various mechanisms including ductile fracture, brittle fracture, fatigue, and creep. |
| Ductile fracture | A mode of fracture characterized by significant plastic deformation and high energy absorption before failure. The process involves crack formation and relatively slow propagation with visible gross deformation at the fracture surfaces. |
| Brittle fracture | A mode of fracture that occurs with very little or no plastic deformation and is characterized by rapid crack propagation. The fracture surfaces typically show little gross deformation and can exhibit features like chevron markings or radial patterns. |
| Fracture mechanics | A field of study that quantifies the relationships among material properties, stress levels, the presence of flaws, and crack propagation mechanisms to predict and prevent structural failures. |
| Stress concentration | The amplification of an applied stress at the tip of a small incision, notch, or flaw. This phenomenon significantly lowers the stress required for fracture initiation and propagation. |
| Stress raiser | A term used for flaws or discontinuities that cause stress concentration, thus detrimentally affecting the fracture strength of a material. |
| Fracture toughness | A measure of a material's resistance to brittle fracture when a crack is present. It is quantitatively expressed as $K_c$ or $K_{Ic}$ and depends on material properties and crack geometry. |
| Plane strain fracture toughness ($K_{Ic}$) | The fracture toughness value measured under plane strain conditions, where the strain component perpendicular to the crack front is negligible. It is a critical parameter for designing against catastrophic failure in thick components. |
| Fatigue | A phenomenon where materials fail under dynamic and fluctuating stresses, often at stress levels significantly lower than their static tensile or yield strength. It occurs after a period of repeated stress cycling. |
| S-N curve | A plot of stress amplitude (S) versus the logarithm of the number of cycles to failure (N). This curve characterizes the fatigue behavior of a material, showing how stress level affects its fatigue life. |
| Fatigue limit (or endurance limit) | The maximum stress level below which a material will not fail from fatigue, regardless of the number of stress cycles. This is observed in some materials, like certain steels and titanium alloys. |
| Fatigue strength | The stress level at which a material will fail after a specified number of cycles. This term is used for materials that do not exhibit a distinct fatigue limit, such as many nonferrous alloys. |
| Fatigue life ($N_f$) | The number of cycles a material can withstand at a specified stress level before failure occurs, as determined from the S-N curve. |
| Creep | Time-dependent, permanent deformation of materials when subjected to a constant load or stress, typically at elevated temperatures. It is a significant factor in the lifetime of components operating under sustained stress at high temperatures. |
| Steady-state creep rate | The constant rate of deformation during the secondary stage of creep, represented by the slope of the linear portion of the strain-time creep curve. It is a key parameter for long-life creep applications. |
| Rupture lifetime ($t_r$) | The total time elapsed until a material fails by rupture under creep conditions. This is a critical design parameter for short-life creep applications. |
| Ductile-to-brittle transition | A phenomenon where a material, typically a steel with a BCC crystal structure, changes from ductile fracture behavior to brittle fracture behavior as the temperature decreases. This transition can lead to catastrophic failure at low temperatures. |
| Transgranular fracture | A type of fracture where the crack propagates through the grains of a polycrystalline material, breaking atomic bonds across crystallographic planes within the grains. |
| Intergranular fracture | A type of fracture where the crack propagates along the grain boundaries of a polycrystalline material. This often occurs when grain boundary regions are weakened or embrittled. |
| Thermal fatigue | Fatigue failure induced by fluctuating thermal stresses, which arise from the restraint of thermal expansion and contraction due to temperature variations. Mechanical stresses are not necessarily present. |
| Corrosion fatigue | A type of fatigue failure that occurs due to the simultaneous action of cyclic stress and a corrosive environment. The corrosive environment can initiate pits, act as stress concentrators, and accelerate crack propagation. |
| Beachmarks | Macroscopic markings on a fatigue fracture surface that indicate the position of the crack tip at different stages of growth, often representing periods of operation or interruptions in cyclic loading. |
| Fatigue striations | Microscopic markings on a fatigue fracture surface, each thought to represent the advance of the crack front during a single stress cycle. Their width depends on the stress range. |
| Shot peening | A surface treatment process that involves projecting small, hard particles onto a material surface to induce residual compressive stresses. This enhances fatigue resistance by counteracting applied tensile stresses. |
| Case hardening | A surface treatment process, such as carburizing or nitriding, that creates a harder outer layer (case) on steel alloys. This improves surface hardness and fatigue life by increasing hardness and introducing residual compressive stresses. |
Cover
Metaal.pdf
Summary
# verwijdering van insluitsels en raffinage met speciale smeltprocessen
Deze sectie behandelt de methoden voor het verwijderen van ongewenste insluitsels uit staal en de raffinageprocessen die worden toegepast om staal van hoge zuiverheid te verkrijgen, inclusief speciale smelttechnieken.
### 1.1 De noodzaak van zuivering
* Staal is per definitie een legering van ijzer en koolstof, met een koolstofgehalte tussen 0,06% en 2,0% [9](#page=9).
* Ruwijzer, het directe product uit de hoogoven, bevat vaak 4% tot 5% koolstof en andere onzuiverheden zoals silicium, zwavel, fosfor en mangaan [9](#page=9).
* Deze onzuiverheden, inclusief niet-metallische insluitsels (verbindingen met N, O, H, S), hebben een negatieve invloed op de eigenschappen van staal [9](#page=9).
* Voor kritieke toepassingen stellen industrieën steeds hogere eisen aan de zuiverheid van staal, met name met betrekking tot het gehalte en de grootte van niet-metallische insluitsels (zoals oxiden en sulfiden) die de vermoeiingslevensduur en taaiheid beïnvloeden [11](#page=11).
### 1.2 Conventionele raffinageprocessen
De traditionele staalbereiding omvat verschillende processen om ruwijzer te raffineren:
* **Oxysta lproces:** Dit moderne proces, geïntroduceerd in de jaren zestig, gebruikt een peervormig stalen vat gevuld met circa 25% schroot en 75% gesmolten ruwijzer. Zuurstof wordt met hoge snelheid op het metaalbad geblazen via zuurstoflansen, waarbij de reactiewarmte de procesenergie levert. Het is een snel proces (300 ton in 25 minuten) en economisch voordelig, waardoor het het belangrijkste staalraffinageproces is geworden [11](#page=11).
* **Haardovenproces (Siemens-Martin-proces):** Dit proces werd sinds 1900 veel gebruikt. Gesmolten ruwijzer en schroot (tot 50%) worden in een ondiep bassin verhit door de verbranding van brandstof en lucht boven het metaaloppervlak. Lucht wordt aangevoerd om koolstof te oxideren, en zuurstoflansen in het bad bevorderen dit proces. Een lading van 300 ton raffineren duurt ongeveer 8 uur [10](#page=10).
* **Elektro-ovenproces:** Deze ovens worden voornamelijk geladen met schroot dat wordt gesmolten door een elektrische boog tussen grafiet elektroden en de lading. Ze verbruiken veel energie maar produceren over het algemeen zuiverder staal dan haardovens. Tot de jaren zeventig werden ze voornamelijk gebruikt voor speciale legeringen. Na het verdwijnen van de open haardovens en de daaruit voortvloeiende schroot overschot, werden elektro-ovens ook economisch aantrekkelijk voor kleinschalige productie van andere staalproducten [10](#page=10) [11](#page=11).
### 1.3 Verwijdering van insluitsels door speciale smeltprocessen
Methoden om insluitsels uit staal te verwijderen worden in twee groepen verdeeld: vacuümsmelten/omsmelten en processen gebaseerd op chemische reactie.
#### 1.3.1 Vacuümsmelten of omsmelten
Bij vacuümmethoden wordt gesmolten staal blootgesteld aan vacuüm om opgeloste gassen en soms vaste insluitsels te verwijderen [12](#page=12).
* **Vacuümontgassen:** Gesmolten staal wordt geroerd met een lans in een grote vacuümruimte en tot ingots gegoten [12](#page=12).
* **Vacuüm boogomsmelten (V.A.R.):** Dit is de meest gebruikte methode. Staal van een convertor of elektro-oven wordt tot cilindrische ingots gegoten, waaraan een as wordt gelast. Deze ingots worden in een vacuüm opnieuw gesmolten door een boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een gekoelde koperen vorm. Elke druppel die van de smeltende ingot valt, wordt blootgesteld aan het vacuüm, wat de verwijdering van insluitsels zeer effectief maakt door het hoge energiegebruik [12](#page=12).
* **Vacuüm inductiesmelten (V.I.M.):** Een nieuwer proces waarbij vast schroot of vloeibare ladingen in een vuurvast vat worden gesmolten met inductiestromen. Convectiestromen zorgen voor menging. Het smeltvat en het gietproces vinden plaats in een vacuüm [12](#page=12).
* **Elektronenstraalraffinage (E.B.R.):** Gesmolten metaal wordt in een vacuümruimte via een stortgoot in een ingotvorm gegoten en bestraald met een elektronenbundel. Dit zorgt ervoor dat verontreinigingen verdampen en uit de vacuümruimte worden verwijderd [13](#page=13).
#### 1.3.2 Processen gebaseerd op chemische reactie (niet in vacuüm)
Deze methoden verwijderen verontreinigingen door reactie met een toegevoegde stof, zonder vacuüm.
* **Argon-zuurstof ontkoling (A.O.D.):** Argon en zuurstof worden in een vuurvast vat met gesmolten staal geblazen. Zuurstof reduceert koolstof (ontkoling), zwavel en andere onzuiverheden. Argon zorgt voor sterke menging, verspreidt en verfijnt oxiden, en bevordert de verwijdering van opgeloste gassen [13](#page=13).
* **Elektroslakomsmelting (E.S.R.):** Vergelijkbaar met vacuüm boogomsmelten, maar zonder vacuüm. Een smelt wordt gegoten in ingotvormen, en de ingots dienen als elektroden voor boogsmelten in een gekoelde koperen vorm. De boog smelt het staal door een gesmolten slak heen, die fungeert als een reinigend vloeimiddel voor verontreinigingen. Krimpholtes worden niet gevormd in een E.S.R.-ingot [13](#page=13).
* **Gietpanraffinage:** Een recenter proces dat minder grote investeringen vereist. Vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen worden met een argonlans in een gietpan met gesmolten metaal geïnjecteerd. Deze reageren met zuurstof en zwavel om verontreinigingen te verwijderen. Hoewel nog niet zo effectief als andere methoden, wordt verwacht dat technologische verbeteringen dit proces in de toekomst zeer zuivere staalsoorten mogelijk maken zonder de hoge kosten van complexe methoden [13](#page=13).
### 1.4 Gieten in ingots en nadelige effecten
Na het smelten wordt staal gegoten in ingots. Tijdens het stollen kunnen inhomogeniteiten en krimpeffecten optreden, bekend als segregatie en slinkholten [13](#page=13).
* **Segregatie:** Een verloop van de samenstelling binnen het materiaal [13](#page=13).
* **Slinkholten:** Holtes die ontstaan door krimp tijdens de stolling [13](#page=13).
Deze verschijnselen kunnen problemen veroorzaken bij het omvormen en verwerken van staal, doordat de randzones en het midden van bijvoorbeeld een staalband verschillende legeringen kunnen zijn met uiteenlopende mechanische eigenschappen [14](#page=14).
**Tip:** Gekalmeerd staal, waarbij elementen zoals aluminium en silicium zijn toegevoegd om opgeloste zuurstof te verwijderen, stolt rustiger en heeft een homogenere samenstelling zonder gas en slinkholten. Dit is echter duurder dan ongekalmeerd staal [14](#page=14).
### 1.5 Continugieten
Continugieten is een proces waarbij gesmolten staal continu wordt gegoten in een watergekoelde vorm, waardoor de ingotfase wordt overgeslagen. Dit proces is alleen mogelijk met **gedesoxideerd (gekalmeerd)** staal. Continugieten is de standaard geworden, met naar verwachting uiteindelijk bijna alle staalproducten die op deze manier worden vervaardigd. Dit betekent dat staalgebruikers voornamelijk gekalmeerd staal zullen tegenkomen, wat leidt tot minder chemische segregatie en centrale insluitsels [15](#page=15).
**Tip:** Hoewel continugegoten staal verbeterde mechanische eigenschappen kan bieden, kunnen sommige fabricagemethoden aangepast moeten worden omdat het omvormbaar gedrag kan verschillen van ingot-staal [15](#page=15).
---
Dit onderwerp behandelt technieken die worden gebruikt om onzuiverheden uit metalen en legeringen te verwijderen en het materiaal te verfijnen door middel van gespecialiseerde smeltprocessen, voornamelijk gericht op de context van ijzer-koolstofdiagrammen en de legering van staal.
### 1.1 Insluitsels en hun eliminatie in metaalgebaseerde processen
De verwijdering van insluitsels en de raffinage van materialen zijn cruciale stappen in de metaalproductie, met name bij de productie van staal. Hoewel de specifieke focus van pagina's 28-48 voornamelijk ligt op fase-diagrammen en legeringselementen, biedt het bredere document context voor het belang van zuiverheid.
#### 1.1.1 Generalisatie van onzuiverheden in staal
Onzuiverheden in staal worden vaak onderverdeeld in elementen die van nature aanwezig zijn tijdens het productieproces en elementen die opzettelijk worden toegevoegd voor legering. Fosfor en zwavel worden als schadelijk en ongewenst beschouwd omdat ze de treksterkte negatief beïnvloeden en de lasbaarheid verminderen. In ongelegeerd staal wordt het zwavelgehalte doorgaans beperkt tot maximaal 0,06% en het fosforgehalte tot maximaal 0,06% [33](#page=33).
#### 1.1.2 Specifieke ongewenste elementen in ongelegeerd staal
Naast fosfor en zwavel, zijn er andere elementen zoals silicium, mangaan en andere metaalische en niet-metaalische elementen die onopzettelijk in het staal kunnen komen tijdens de bereiding. Voor deze elementen zijn maximale waarden gedefinieerd. Als er twee of meer van de met een sterretje aangegeven elementen aanwezig zijn, mag het totale percentage daarvan niet meer bedragen dan 70% van de som van de maximale grenswaarden [33](#page=33).
### 1.2 Smeltprocessen en hun relatie tot materiaalsamenstelling
Hoewel specifieke smeltprocessen voor raffinage niet direct worden beschreven op de pagina's 28-48, is het onderliggende principe van faseovergangen essentieel voor het begrijpen van hoe onzuiverheden worden geëlimineerd of hoe ze de structuur van het materiaal beïnvloeden. Fase-diagrammen, zoals die voor lood-tin en ijzer-koolstof, illustreren hoe de samenstelling en temperatuur de aggregatietoestand en de microstructuur bepalen.
#### 1.2.1 Eutectische transformaties en hun betekenis
Eutectische reacties spelen een rol bij het stollen van legeringen. Bijvoorbeeld, in het ijzer-koolstofdiagram ontstaat bij een koolstofgehalte van 0,86% bij 721°C een eutecticum van ferriet en cementiet, genaamd perliet. Dit perliet is een mengsel van fijne ferriet- en cementietkristallen die lamellen vormen. Bij een koolstofgehalte van 4,3% ontstaat een eutecticum van austeniet en cementiet, genaamd ledeburiet [31](#page=31) [32](#page=32).
#### 1.2.2 Oplosbaarheid en segregatie
Fase-diagrammen tonen de oplosbaarheid van elementen in vaste oplossingen. In het lood-tin diagram (fig. 4.13) is te zien dat metaal B slechts gedeeltelijk oplosbaar is in metaal A. Bij afkoeling kunnen er, afhankelijk van de samenstelling, ontmengingen optreden waarbij een deel van het opgeloste element zich afscheidt als aparte kristallen. Dit proces, segregatie, is relevant voor het begrijpen van onzuiverheden in het uiteindelijke materiaal [28](#page=28).
### 1.3 IJzer-koolstofdiagram als basis voor staalkwalificatie
Het ijzer-koolstofdiagram is fundamenteel voor het begrijpen van de verschillende staalsoorten, hun eigenschappen en toepassingen. De verschillende gebieden in het diagram corresponderen met verschillende microstructuren en dus verschillende mechanische en chemische eigenschappen.
#### 1.3.1 Staalkwalificatie op basis van koolstofgehalte en eigenschappen
De documentatie beschrijft verschillende categorieën staal, gedefinieerd door hun koolstofgehalte, toegevoegde legeringselementen en beoogde eigenschappen:
* **Ongelegeerd staal:** Bestaat voornamelijk uit ijzer en koolstof. De eigenschappen zijn sterk afhankelijk van het koolstofgehalte. Hoger koolstofgehalte leidt tot hogere treksterkte en hardheid, maar lagere rek en taaiheid. Staal met meer dan 0,35% koolstof is hardbaar [33](#page=33).
* **Staal voor algemeen gebruik:** Voldoet aan bepaalde mechanische eigenschappen en chemische samenstelling, zonder voorgeschreven warmtebehandelingen [34](#page=34).
* **Kwaliteitsstaal:** Voldoet aan één of meer kwaliteitseisen, die betrekking kunnen hebben op natuurkundige, mechanische, chemische of technologische eigenschappen [35](#page=35).
* **Speciaalstaal:** Bereid voor een specifiek gebruiksdoel en voldoet aan nauwkeurig omschreven eisen. Dit omvat bijvoorbeeld gereedschapsstaal, veredelstaal en automatenstaal [36](#page=36).
#### 1.3.2 Legeren van staal voor verbeterde eigenschappen
Gelegeerd staal bevat toegevoegde metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om eigenschappen te verbeteren ten opzichte van ongelegeerd staal. De legeringselementen en hun gehaltes bepalen de uiteindelijke kwaliteiten van het staal [38](#page=38).
* **Zwak- of laaggelegeerd staal:** Maximaal 5% legeringsbestanddelen en niet meer dan 0,2% koolstof [38](#page=38).
* **Gelegeerd staal:** Meer dan 5% legeringsbestanddelen [38](#page=38).
##### 1.3.2.1 Invloed van specifieke legeringselementen
Verschillende legeringselementen hebben een specifieke invloed op de eigenschappen van staal:
* **Mangaanstaal (1-15% Mn):** Vergroot de slijtvastheid. Hogere mangaangehaltes (12-15% Mn) worden gebruikt voor extreem slijtvaste toepassingen zoals spoorrails en baggerbakken [41](#page=41).
* **Chroomstaal (1-30% Cr):** Verhoogt hardheid, treksterkte en taaiheid. Chroomgehaltes van 11% of meer maken het staal corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. Toepassingen variëren van stempels tot onderdelen voor gasturbines [41](#page=41) [42](#page=42).
* **Nikkelstaal (2-50% Ni):** Verhoogt treksterkte, hardheid en taaiheid. Nikkel bevordert kernharding. Nikkelstaal met 36% nikkel (invarstaal) heeft een zeer lage uitzettingscoëfficiënt [43](#page=43).
* **Chroom-nikkelstaal (12-26% Cr, 1-20% Ni):** Hoogwaardige staalsoorten, vaak zuur- en corrosievast. De 18/8 kwaliteit is bekend. Hittevaste varianten (18-25% Cr, 7-20% Ni) zijn bestand tegen hoge temperaturen [44](#page=44).
* **Roestvast staal:** Gelegeerd met minstens 11% chroom, wat een beschermende oxidelaag vormt. Onderscheiden in ferritisch, martensitisch en austenitisch, elk met specifieke eigenschappen en toepassingen (#page=45, 46). Molybdeen verbetert putcorrosiebestendigheid, zwavel/selenium de verspanbaarheid, en titaan de lasbaarheid [45](#page=45) [46](#page=46).
* **Verenstaal:** Gelegeerd met elementen zoals chroom, vanadium, silicium en mangaan om hoge veerkracht te garanderen. Vanadium zorgt voor veerkracht bij hoge temperaturen [46](#page=46).
#### 1.3.3 Verband tussen microstructuur en eigenschappen
De microstructuur, bepaald door het ijzer-koolstofdiagram en de aanwezigheid van legeringselementen, is direct gekoppeld aan de mechanische en technologische eigenschappen van staal. Kenmerken zoals hardbaarheid, magnetiseerbaarheid, corrosieweerstand, oxidatieweerstand, treksterkte, rek, taaiheid, koude vervormbaarheid, verspaanbaarheid en lasbaarheid worden beïnvloed door de samenstelling en de daaruit voortvloeiende microstructuur. Zo is bijvoorbeeld ferritisch chroomstaal met een laag chroomgehalte (max. 14%) en laag koolstofgehalte zeer goed lasbaar, terwijl martensitisch chroomstaal minder goed lasbaar is en voorverwarmen vereist. Austenitisch chroom-nikkelstaal is over het algemeen goed tot zeer goed lasbaar en de lasnaad wordt taai door de optredende harding [48](#page=48).
> **Tip:** Het grondig bestuderen van de verschillende gebieden in het ijzer-koolstofdiagram en de invloed van de belangrijkste legeringselementen is cruciaal om de relatie tussen samenstelling, microstructuur en materiaaleigenschappen te begrijpen.
> **Voorbeeld:** Een staalsoort met een hoog chroomgehalte (bv. 18-20% Cr) en nikkelgehalte (bv. 8-10% Ni) wordt ingezet voor installaties in de voedingsmiddelenindustrie vanwege de corrosiebestendigheid, terwijl een staalsoort met een hoog koolstofgehalte (bv. 0,6%) en legeringselementen zoals chroom en vanadium wordt gebruikt voor gereedschap vanwege de hardheid en slijtvastheid.
### 1.4 Overzicht van staalkwaliteiten en hun eigenschappen
De documentatie biedt een gedetailleerd overzicht van verschillende staalkwaliteiten en hun kenmerkende eigenschappen, wat essentieel is voor de selectie van het juiste materiaal voor specifieke toepassingen.
| Eigenschap | Ferritisch chroomstaal | Martensitisch chroomstaal | Austenitisch chroom-nikkelstaal |
| :---------------------- | :--------------------------------------------------------- | :-------------------------------------------------------------- | :------------------------------------------------------------ |
| **Algemeen** | | | |
| Chroomgehalte | Cr 12...26% | Cr 11,5...18% | Cr 12...20% |
| Nikkelgehalte | - | - | Ni 10...30% |
| Koolstofgehalte | C-gehalte 0,08...0,2% | C-gehalte 0,15...1,2% | C-gehalte 0,03...0,15% |
| Hardbaarheid | Niet hardbaar | Hardbaar (luchthardend) | Niet hardbaar |
| Magnetiseerbaarheid | Magnetiseerbaar | Magnetiseerbaar | Niet magnetiseerbaar |
| Corrosieweerstand | Zeer goed, bestand tegen vele chemicaliën en zuren | Goed, na harden en ontlaten bestand tegen weersinvloeden, water, stoom en zwakke zuren | Zeer goed, vaak beter dan ferritische/martensitische soorten, bestand tegen putcorrosie |
| Oxidatieweerstand | Goed tot ca. 700°C | Goed tot ca. 750°C | Beter bestand tegen oxidatie dan ferritische soorten tot ca. 1100°C |
| **Mechanisch** | | | |
| Hardheid (gegloeid) | 140...180 HB | 140...220 HB, veredeld 220...280 HB | 130...180 HB |
| Treksterkte (gegloeid) | Rm 450...600 N/mm² | Rm 500...750 N/mm² | Rm 500...700 N/mm² |
| Rek (gegloeid) | ca. 20% | 16...20% | ca. 50% |
| Taaiheid | Hoge buigtaaiheid, oververhitting verlaagt taaiheid, gering bij lage temp. | Goede taaiheid bij laag C-gehalte, gering bij lage temp. | Taai bij temperaturen tot -200°C |
| **Technologisch** | | | |
| Koude vervormbaarheid | Goed tot zeer goed, koudversteviging treedt op | Goed mogelijk bij laag C-gehalte, koudversteviging treedt op | Goed mogelijk, koudversteviging treedt op |
| Verspaanbaarheid | Redelijk goed, vooral automatenkwaliteit | Matig tot redelijk goed, automatenkwaliteit is beter verspanbaar | Moeilijk, met zwavel/selenium of gelegeerde soorten beter |
| Lasbaarheid | Zeer goed bij laag Cr/C, matig bij 16-18% Cr (korrelgroei) | Minder goed, voorverwarmen en gloeien na lassen noodzakelijk | Goed tot zeer goed lasbaar, lasnaad blijft taai |
---
Dit onderwerp behandelt methoden voor het verwijderen van onzuiverheden en het verfijnen van metalen, met een focus op speciale smeltprocessen.
### 1.1 Inleiding tot raffinage en verwijdering van insluitsels
Raffinageprocessen zijn essentieel voor het verkrijgen van metalen met de gewenste eigenschappen, door het verwijderen van ongewenste insluitsels en onzuiverheden. Verschillende methoden worden toegepast, afhankelijk van het metaal en de aard van de onzuiverheden [49-69.
### 1.2 Speciale smeltprocessen en hun toepassingen
Speciale smeltprocessen worden ingezet wanneer standaard raffinagemethoden ontoereikend zijn of wanneer specifieke legeringen met hoge zuiverheid vereist zijn. Deze processen maken vaak gebruik van verhoogde temperaturen, gecontroleerde atmosferen of specifieke chemische reacties om onzuiverheden te verwijderen of te scheiden [49-69.
#### 1.2.1 Vacuümbehandelingen
Vacuüm smeltprocessen worden gebruikt om vluchtige onzuiverheden, zoals gassen (bijvoorbeeld waterstof, stikstof, zuurstof), uit gesmolten metalen te verwijderen [49-69. Door de druk te verlagen, wordt het evenwicht van de gasoplossing in het metaal verschoven, waardoor de gassen gemakkelijker ontwijken.
* **Toepassingen:** Dit is cruciaal voor de productie van hoogwaardige staalsoorten en non-ferrometalen waar gasinsluitsels de mechanische eigenschappen nadelig kunnen beïnvloeden [49-69.
#### 1.2.2 Slagbehandelingen en additieven
De toevoeging van specifieke slakken of additieven tijdens het smeltproces kan helpen bij het binden en verwijderen van onzuiverheden. Deze slakken hebben een affiniteit voor bepaalde onzuiverheden, die vervolgens in de slakfase worden opgenomen en fysiek van het gesmolten metaal worden gescheiden [49-69.
* **Voorbeelden van insluitsels die verwijderd kunnen worden:** Oxiden, sulfiden en andere niet-metallische deeltjes [49-69.
* **Mechanisme:** Deze additieven verlagen de oppervlaktespanning en verbeteren de bevochtiging van de insluitsels door de slak, wat leidt tot een efficiëntere agglomeratie en afscheiding [49-69.
#### 1.2.3 Elektrolytische raffinage
Hoewel niet strikt een smeltproces, is elektrolytische raffinage een zeer effectieve methode voor het zuiveren van bepaalde metalen, met name koper [49-69. Hierbij wordt het ruwe metaal als anode in een elektrolytische cel geplaatst. Door een elektrische stroom wordt het metaal opgelost en op de kathode in zuivere vorm neergeslagen, terwijl onzuiverheden in de sliblaag onder de anode achterblijven [49-69.
* **Voordelen:** Levert zeer zuivere metalen op.
* **Beperkingen:** Energie-intensief en niet toepasbaar op alle metalen [49-69.
#### 1.2.4 Vlamboogsmelten en elektronstraalsmelten
Deze geavanceerde smelttechnieken werken bij zeer hoge temperaturen en vaak in een vacuümomgeving.
* **Vlamboogsmelten (VAR - Vacuum Arc Remelting):** Hierbij wordt een elektrode van het te raffineren metaal gesmolten in een vacuüm door middel van een vlamboog. De gesmolten druppels vallen in een koelbak waar het metaal stolt. Dit proces verwijdert gassen en sommige metallische onzuiverheden [49-69.
* **Elektronstraalsmelten (EB - Electron Beam Melting):** Een geconcentreerde elektronstraal smelt het metaal in een hoog vacuüm. Dit proces is zeer efficiënt voor het verwijderen van vluchtige onzuiverheden en het verkrijgen van extreem zuivere metalen, zoals titanium en wolfraam [49-69.
#### 1.2.5 Continugieten en de invloed op insluitsels
Bij continugieten, een veelgebruikte methode voor het produceren van stalen profielen, is de controle van insluitsels cruciaal. De snelheid van afkoeling en de stroming van het vloeibare metaal beïnvloeden de grootte en distributie van non-metallische insluitsels [49-69. Een zorgvuldige procescontrole kan de hoeveelheid schadelijke insluitsels verminderen [49-69.
### 1.3 Specifieke materialen en hun raffinage
* **Automatenstaal:** Dit staal bevat zwavel en/of lood om een korte spaan te produceren en de verspaanbaarheid te verbeteren [49](#page=49).
* **Gietijzer en Gietstaal:** Deze materialen worden gevormd door gieten. De raffinage vindt plaats tijdens het smeltproces, waarbij de samenstelling nauwkeurig wordt gecontroleerd [50](#page=50).
* **Aluminium:** Zuiver aluminium is moeilijk te bereiden en bevat meestal sporen van andere elementen. Legeringen worden gemaakt om de mechanische eigenschappen en gietbaarheid te verbeteren. Warmtebehandelingen, zoals zacht gloeien, homogeen gloeien en dispersieharden, worden gebruikt om de eigenschappen van aluminiumlegeringen te modificeren. Aluminium kan tot zeer dunne folies worden uitgewalst [58](#page=58) [61](#page=61).
* **Koper, Messing en Brons:** Deze non-ferrometalen hebben specifieke raffinage- en legeringsprocessen. Koper wordt vaak elektrolytisch geraffineerd. Messing (koper-zinklegering) en brons (koper-tin legering) worden gelegeerd om gewenste eigenschappen te verkrijgen, waarbij het percentage legeringselementen de eigenschappen bepaalt [63](#page=63) [64](#page=64).
### 1.4 Overige gerelateerde processen en concepten
Hoewel niet direct raffinageprocessen, zijn warmtebehandelingen en oppervlaktebehandelingen van cruciaal belang voor het uiteindelijke gebruik van het metaal en kunnen ze de impact van eventueel resterende insluitsels verminderen [52-57. Corrosiebestrijding is ook relevant, aangezien corrosie de integriteit van het metaal kan aantasten, vergelijkbaar met de effecten van bepaalde insluitsels [65-69.
> **Tip:** Bij het bestuderen van raffinageprocessen is het belangrijk om de specifieke onzuiverheden die verwijderd moeten worden en de eigenschappen van het beoogde eindproduct in gedachten te houden, aangezien dit de keuze van het proces bepaalt.
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Ruwijzer | Gesmolten ijzer dat onderaan een hoogoven wordt afgetapt; het is nog onzuiver met een hoog koolstofgehalte, waardoor het bros en zwak is en niet direct bruikbaar als technisch materiaal. |
| Slak | Een dun vloeibare substantie die ontstaat door het binden van silicaten uit het gesteente met kalk in de hoogoven; het helpt verontreinigingen uit het ijzererts te verwijderen en wordt na het smelten afgetapt. |
| Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met een of meer niet-metalen, om specifieke eigenschappen te verkrijgen. Staal is per definitie een legering van ijzer en koolstof. |
| Insluitsels | Niet-metallische deeltjes, zoals oxiden, silicaten en sulfiden, die zich vormen tijdens het conventionele smelten en raffineren van staal en de eigenschappen van het materiaal negatief kunnen beïnvloeden. |
| Raffinage | Het proces van het zuiveren van ruwijzer tot staal door het verwijderen van onzuiverheden zoals koolstof, silicium, zwavel en fosfor. |
| Oxystaalproces | Een staalbereidingsproces waarbij gesmolten ruwijzer met een aanzienlijke hoeveelheid schroot wordt gevuld, waarna zuurstof met hoge snelheid op het metaalbad wordt geblazen om onzuiverheden te oxideren en te verwijderen. |
| Haardovenproces (Siemens-Martin-proces) | Een staalbereidingsproces waarbij gesmolten ruwijzer en schroot in een ondiep bassin worden verhit door de verbranding van een brandstof-luchtmengsel boven het metaalbad, met toevoeging van lucht om oxidatie te bevorderen. |
| Elektro-ovenproces | Een staalbereidingsproces waarbij schroot wordt gesmolten door een elektrische boog tussen grafiet elektroden en de lading, wat resulteert in een zuiverder staal, vaak gebruikt voor bijzondere legeringen. |
| Vacuümsmelten | Een groep processen waarbij gesmolten staal aan een vacuüm wordt blootgesteld om opgeloste gassen te verwijderen en vaste insluitsels te laten verdampen, wat leidt tot een hogere zuiverheid van het staal. |
| Vacuümontgassen | Een vacuümsmeltproces waarbij gesmolten staal wordt geroerd en aan een vacuüm wordt blootgesteld om opgeloste gassen te verwijderen. |
| Vacuümboogomsmelten | Een veelgebruikte vacuümsmeltmethode waarbij ingots opnieuw worden gesmolten door een elektrische boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een vorm, waarbij elke druppel die langs de boog valt aan het vacuüm wordt blootgesteld. |
| Vacuüminductiesmelten | Een vacuümsmeltproces waarbij vast schroot of vloeibare ladingen worden omgesmolten met behulp van inductiestromen met hoge frequentie in een vacuümomgeving. |
Cover
Metaal_slides.pdf
Summary
# Introductie tot metaalbewerking en historische context
Dit onderwerp introduceert de basale concepten rond metalen, hun oorsprong, het proces van raffinage, en de historische evolutie van metaalbewerking door de eeuwen heen.
### 1.1 De oorsprong van metalen: ertsen en raffinage
* Metalen komen in de natuur doorgaans niet in hun pure, elementaire vorm voor [6](#page=6).
* In plaats daarvan vinden we metalen terug in de vorm van ertsen [6](#page=6).
* Ertsen zijn verbindingen, vaak metaaloxides, waarbij metalen gebonden zijn aan andere elementen zoals zuurstof [6](#page=6).
* Om deze metalen bruikbaar te maken, moeten de grondstoffen worden verfijnd [6](#page=6).
* Het verfijningsproces, ook wel reductie genoemd, omvat het scheiden van het metaal van de onzuiverheden in het erts [6](#page=6).
* Dit gebeurt doorgaans door het toevoegen van een chemische stof, zoals koolstof, en het toepassen van hitte [6](#page=6).
* De mechanische eigenschappen van een metaal worden sterk beïnvloed door de aanwezigheid van "onzuiverheden" [6](#page=6).
* Metalen hebben de neiging te oxideren of corroderen, waarbij ze terugkeren naar hun oorspronkelijke toestand zoals die in het erts werd aangetroffen [6](#page=6).
* Edelmetalen, zoals goud, zilver en platina, kunnen wel in hun pure vorm voorkomen in de natuur [6](#page=6).
> **Tip:** Begrijpen dat metaalbewerking begint met het winnen en zuiveren van metalen uit ertsen is cruciaal voor het waarderen van de technologische vooruitgang.
### 1.2 Historische evolutie van metaalbewerking
De geschiedenis van de mensheid is onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling van metaalbewerking, met duidelijke tijdperken die vernoemd zijn naar de dominante metalen.
#### 1.2.1 De Bronzen en IJzeren Tijdperken
* De Bronstijd markeert een significante periode waarin mensen leerden koper te smelten en te combineren met tin om brons te creëren. Brons was harder en duurzamer dan de tot dan toe gebruikte materialen zoals steen en koper [3](#page=3).
* Na de Bronstijd volgde de IJzertijd, waarin ijzer werd ontdekt en bewerkt. IJzererts was over het algemeen overvloediger en goedkoper dan koper- en tinertsen, waardoor ijzer toegankelijker werd voor een groter deel van de bevolking. De technieken voor het bewerken van ijzer waren echter complexer en vereisten hogere temperaturen [3](#page=3).
> **Example:** Een beroemd voorbeeld van vroeg metaalwerk is de dolk van Toetanchamon, die meer dan 4.000 jaar oud is en aantoont hoe ver gevorderd metaalbewerking in die tijd al was [2](#page=2).
#### 1.2.2 De Industriële Revolutie
* De Industriële Revolutie, die begon in de 18e eeuw, bracht revolutionaire veranderingen teweeg in de metaalproductie en -bewerking [4](#page=4).
* Nieuwe technieken voor het produceren van ijzer en staal op grote schaal, zoals het gebruik van cokes in plaats van houtskool en de ontwikkeling van de puddling processen, maakten grote hoeveelheden metaal beschikbaar voor industriële toepassingen [4](#page=4).
* De massaproductie van metalen vormde de basis voor de ontwikkeling van machines, infrastructuur (zoals spoorwegen en bruggen) en nieuwe fabricagemethoden [4](#page=4).
* Dit tijdperk transformeerde de samenleving van een agrarische naar een industriële economie, grotendeels dankzij de vooruitgang in metaalbewerking en -toepassingen [4](#page=4).
> **Tip:** Denk bij de Industriële Revolutie aan de overgang van handwerk naar machinale productie, waarbij metaal de fundamentele bouwsteen was voor de nieuwe machines.
---
# Productie en raffinage van ijzer en staal
Dit onderwerp behandelt de metallurgische processen die betrokken zijn bij de productie van ijzer en staal, vanaf de verwerking van ertsen tot aan de verschillende raffinagetechnieken die nodig zijn om staal van specifieke kwaliteit te verkrijgen.
### 2.1 Verwerking van ijzererts
IJzererts wordt verwerkt om het bruikbaar te maken voor de productie van ijzer en staal. Deze verwerking omvat verschillende stappen, waaronder het kuisen en breken of sinteren van het erts om de deeltjesgrootte te egaliseren. Pelleteren wordt toegepast om poederdeeltjes te vormen, gevolgd door sortering om ijzerhoudende materialen te scheiden van niet-ijzerhoudende materialen. Roosteren is eveneens een onderdeel van de voorbereiding van het erts [7](#page=7).
### 2.2 De hoogoven
De hoogoven is een essentieel onderdeel in het proces van ijzerproductie. Het primaire doel van de hoogoven is de reductie van ijzererts, wat inhoudt dat zuurstof (O) uit het ijzeroxide moet worden verwijderd. De belangrijkste ingangsproducten voor de hoogoven zijn ijzererts, cokes (steenkool die hittebehandeling heeft ondergaan en als brandstof dient), en hete lucht die tot boven de 1000°C wordt verwarmd [8](#page=8).
De processus in de hoogoven leidt tot de volgende uitgangsproducten: gesmolten ruwijzer, slak en kooldioxide ($CO_2$) [9](#page=9).
### 2.3 Ruwijzer
Ruwijzer dat uit de hoogoven komt, is niet direct bruikbaar als constructiemateriaal omdat het zeer bros en stijf is. Het bevat een hoog koolstofgehalte, typisch tussen de 4 en 5 procent. Bovendien bevat ruwijzer te veel ingemengde stoffen zoals silicium, fosfor en mangaan, die moeten worden verwijderd [10](#page=10).
Het koolstofgehalte heeft een significante invloed op de eigenschappen van ijzer en staal. Een hogere hoeveelheid koolstof leidt tot een hogere treksterkte en hardheid, maar vermindert de taaiheid, rek, smeedbaarheid, verspaanbaarheid, smelttemperatuur en lasbaarheid. Hierdoor is ruwijzer hard maar bros en moeilijk te verwerken. Zuiver ijzer daarentegen bevat slechts 0,005% koolstof en is zwak en ductiel. Staal wordt gedefinieerd als ijzer met een koolstofgehalte tussen 0,06% en 2%. Koolstofgehaltes boven de 2% resulteren in gietijzer [11](#page=11).
### 2.4 Raffinageprocessen
Om ruwijzer om te zetten naar staal, zijn verschillende raffinageprocessen nodig. Raffinage omvat het opnieuw toevoegen van zuurstof (oxidatie) om het koolstofgehalte te verlagen en onzuiverheden te verwijderen. Tijdens dit proces wordt het ruwijzer vaak vermengd met staalschroot [12](#page=12) [13](#page=13).
Er zijn drie belangrijke raffinageprocessen:
1. **Open haardoven:** Hierbij wordt een mengsel van brandstof en lucht boven het gesmolten metaal geblazen [13](#page=13).
2. **Elektro-oven proces:** Het bad wordt op temperatuur gehouden door middel van elektrische bogen [13](#page=13).
3. **Oxystaal proces:** Pure zuurstof wordt in het gesmolten metaal geblazen [13](#page=13).
#### 2.4.1 Zuiverheid van staal
Naast het koolstofgehalte, is ook de afwezigheid van insluitsels cruciaal voor de kwaliteit van staal. Deze insluitsels kunnen oxiden (zoals aluminiumoxide), sulfiden en silicaten zijn. Ze kunnen worden verwijderd door middel van vacuüm omsmelten of chemische reacties [14](#page=14).
### 2.5 Verwerking tot ingots
Zodra het staal kwalitatief in orde is, wordt het verder verwerkt tot eindproducten. Een veelvoorkomende tussenstap is de vorming van blokken, bekend als ingots, die dienen voor tijdelijke opslag [15](#page=15).
Tijdens het stollen van ingots kunnen krimpholtes en chemische segregatie optreden. Segregatie verwijst naar ongelijke chemische samenstellingen binnen de ingot, terwijl krimpholtes luchtbellen zijn die ontstaan door het krimpen van het materiaal, wat leidt tot porositeit. Een specifiek type defect is de slinkholte, een put aan de bovenkant van de matrijs door ongelijkmatig stollen [16](#page=16).
Oplossingen voor deze problemen omvatten het mechanisch verwijderen van slinkholtes en het toevoegen van elementen zoals aluminium (Al) en silicium (Si) om segregatie te beperken. Staal waarbij deze effecten worden geminimaliseerd, wordt gekalmeerd staal genoemd [16](#page=16).
### 2.6 Continugieten
Een alternatieve en efficiëntere methode voor het vormen van staal is continugieten. Dit proces vindt plaats in watergekoelde gietvormen, wat leidt tot minder materiaalverliezen. Continugieten resulteert in een homogene gietstructuur, waarbij porositeit van gekalmeerd staal gelijkmatig verdeeld is. Het gesneden materiaal wordt met een hete straal verwerkt, wat resulteert in minder nabewerking door te walsen [17](#page=17).
---
# Metaalstructuur, legeringen en stolling
Dit deel van het document verkent de kristallijne structuur van metalen, de vorming van dendrieten en korrels, en theoretische modellen voor legeringen, waarbij het stollingstraject van zowel zuivere metalen als legeringen wordt behandeld [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24) [25](#page=25) [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28) [29](#page=29) [30](#page=30).
### 3.1 Metaalstructuur
Metalen zijn kristallijn, wat betekent dat hun atomen zijn gerangschikt in een regelmatig geordende structuur. Deze geordende rangschikking van atomen in een kristalrooster vormt kristallen, die op hun beurt korrels vormen. Kenmerken van kristallijne structuren zijn symmetrische vormen met platte grensvlakken, isotrope fysische eigenschappen (tenzij er sprake is van koude bewerkingen) en een vast smeltpunt. Bekende roosterstructuren zijn onder andere het kubus- en het hexagonaal rooster [20](#page=20) [21](#page=21) [23](#page=23).
> **Tip:** Begrijpen dat metalen uit geordende kristalstructuren bestaan, is de basis voor het verklaren van hun mechanische en fysische eigenschappen.
#### 3.1.1 Vorming van kristallen en korrels
Kristallen in metalen ontstaan vanuit kristalkiemen. Tijdens het stollingproces groeien deze kiemen uit tot grotere structuren, vaak in de vorm van dendrieten, wat vertakte kristallen zijn. De uiteindelijke microstructuur van een metaal bestaat uit een aggregaat van deze kristallen, de zogenaamde korrels, gescheiden door korrelgrenzen [21](#page=21) [22](#page=22).
### 3.2 Legeringen
Legeringen zijn mengsels van metalen, waarbij de atomen van de verschillende componenten zich tot elkaar verhouden in een kristalrooster [24](#page=24).
#### 3.2.1 Soorten legeringen en mengkristallen
Het gedrag van legeringen bij stolling hangt af van de oplosbaarheid van de componenten in vaste toestand. Er zijn drie hoofdgevalen te onderscheiden [26](#page=26):
1. **Volledig in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** In dit geval lossen de metalen elkaar volledig op in zowel vloeibare als vaste toestand, wat resulteert in één type kristalstructuur bij elke mengverhouding. Een voorbeeld hiervan is een goud-zilver legering. Deze legeringen kennen een smelt- en stollingstraject in plaats van een vast smeltpunt [27](#page=27).
2. **Niet in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** De metalen vormen afzonderlijke kristallen in de gestolde toestand. Bij een specifieke mengverhouding, het eutecticum, kan de legering echter wel een vast smeltpunt hebben. Het stollingstraject kent hierbij een haltepunt [28](#page=28).
3. **Gedeeltelijk in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** Bij kleine mengverhoudingen ontstaat een stabiele $\alpha$-fase of $\beta$-fase. Bij grotere mengverhoudingen ontstaat een meerderheid van de $\alpha$-fase of $\beta$-fase, aangevuld met een eutectische structuur aan de korrelgrenzen. Ook hier is er sprake van een eutecticum met één smeltpunt [29](#page=29).
> **Tip:** Het concept van oplosbaarheid in vaste toestand is cruciaal voor het voorspellen van de microstructuur en eigenschappen van legeringen.
#### 3.2.2 Theoretisch model voor legeringen
Theoretische modellen beschrijven hoe legeringen zich gedragen wanneer metalen met elkaar mengen. In vloeibare toestand lossen metalen A en B vaak goed op, maar tijdens het afkoelen en stollen kunnen ze zich weer scheiden, afhankelijk van hun onderlinge oplosbaarheid in vaste toestand. Dit leidt tot de vorming van verschillende types kristallen of mengsels van kristallen [24](#page=24).
### 3.3 Stollingstrajecten
Het stollingstraject beschrijft de temperatuurveranderingen en faseovergangen die een metaal of legering ondergaat tijdens het stollen [25](#page=25) [26](#page=26).
#### 3.3.1 Stolling van zuivere metalen
Zuivere metalen hebben een scherp, vast smelt- en stollingspunt. Tijdens het stollen is er een periode waarin de temperatuur niet of minder snel daalt; dit wordt het haltepunt genoemd. Zodra het metaal volledig gestold is, koelt het weer sneller af [25](#page=25).
#### 3.3.2 Stolling van legeringen
Legeringen daarentegen ondergaan een stollingstraject, wat betekent dat ze niet één vast smeltpunt hebben, maar een temperatuurbereik waarin ze van vloeibaar naar vast gaan. Het stollingstraject wordt beïnvloed door de mate van oplosbaarheid van de componenten in vaste toestand, zoals hierboven beschreven onder sectie 3.2.1 [26](#page=26).
> **Example:** Een legering van lood en tin die volledig in elkaar oplosbaar is, zal langzaam stollen over een temperatuurbereik, waarbij de samenstelling van de vaste fase verandert naarmate de temperatuur daalt. Een eutectisch mengsel van lood en tin stollt daarentegen bij één vaste temperatuur.
Het stollingstraject van staal wordt specifiek behandeld, wat aangeeft dat dit een belangrijk toepassingsgebied is van deze principes [30](#page=30).
---
# Soorten staal en hun eigenschappen
Dit hoofdstuk behandelt de classificatie van staal, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen ongelegeerd en gelegeerd staal, en de invloed van specifieke legeringselementen op de eigenschappen en toepassingen van staal wordt uiteengezet [31](#page=31).
### 4.1 Ongelegeerd staal
Ongelegeerd staal is primair een legering van ijzer en koolstof. De eigenschappen van dit staal worden sterk beïnvloed door de koolstofverhouding. Een hogere koolstofconcentratie leidt tot een hogere treksterkte en hardheid, terwijl het de taaiheid, rek, smeedbaarheid, verspaanbaarheid, smelttemperatuur en lasbaarheid verlaagt. Naast koolstof kunnen ook andere elementen zoals silicium en mangaan aanwezig zijn, maar zwavel en fosfor worden als ongewenste elementen beschouwd omdat ze de treksterkte en lasbaarheid verminderen. De grenswaarden van deze elementen worden vastgelegd; zodra deze worden overschreden, spreekt men van gelegeerd staal [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33).
Ongelegeerd staal kan worden onderverdeeld in verschillende groepen [34](#page=34):
1. **Staal voor algemeen gebruik**: Dit staal wordt toegepast zonder hoge eisen, heeft een minimaal koolstofgehalte, en ondergaat geen warmtebehandelingen. Het kenmerkt zich door minimale treksterkte en hardheid [34](#page=34).
2. **Kwaliteitstaal**: Dit staal moet voldoen aan kwalitatieve eisen voor specifieke toepassingen, zoals goede elektrische, magnetische, mechanische, scheikundige en technologische eigenschappen. Het is koud vervormbaar, lasbaar, smeedbaar en verspaanbaar [34](#page=34).
3. **Speciaalstaal**: Dit staal wordt bereid voor één specifieke gebruikstoepassing en staat bekend om goede kerfslagwaardes, elektrische/magnetische eigenschappen, en afwezigheid van vervuilingen. Voorbeelden zijn gereedschapsstaal, veredelstaal, carboneerstaal, nitreerstaal en automatenstaal [34](#page=34).
### 4.2 Gelegeerd staal
De eigenschappen van staal kunnen worden veranderd door thermische behandelingen of door het te verrijken met legeringselementen, zoals nikkel en chroom, wat bijvoorbeeld leidt tot roestvast staal (RVS). Gelegeerd staal is staal dat is gelegeerd met metalen en/of niet-metalen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen laag gelegeerde staalsoorten (maximaal 5% legeringselementen) en hoog gelegeerde staalsoorten (minimaal 5% legeringselementen) [35](#page=35).
#### 4.2.1 Invloed van legeringselementen
Verschillende legeringselementen geven staal specifieke eigenschappen en toepassingen [36](#page=36).
* **Wolfraam (W)**: Wordt toegepast in staal voor snijgereedschap en zorgt voor warmtebestendigheid [36](#page=36).
* **Chroom (Cr)**: Verhoogt de hardheid van staal. In RVS is het belangrijk voor corrosiebestendigheid en in combinatie met andere legeringen [36](#page=36).
* **Vanadium (V)**: Verbetert de elasticiteit en snijeigenschappen van staal [36](#page=36).
* **Molybdeen (Mo)**: Maakt staal bestand tegen putcorrosie [43](#page=43).
* **Zwavel (S)**: Kan de verspaanbaarheid verbeteren, wat resulteert in korte spanen. Het kan echter ook de treksterkte en lasbaarheid verminderen in ongelegeerd staal [32](#page=32) [45](#page=45).
* **Titanium (Ti)**: Verbetert de lasbaarheid van RVS [43](#page=43).
* **Lood (Pb)**: Wordt, samen met zwavel, gebruikt in automatenstaal voor een goede verspanende werkbaarheid en korte spanen [45](#page=45).
#### 4.2.2 Laag gelegeerd staal
Laag gelegeerd staal wordt gekenmerkt door eigenschappen zoals een hoge rekgrens, goede lasbaarheid, en weerstand tegen extreem lage temperaturen en atmosferische corrosie. Een typische toepassing hiervan zijn autopanelen [37](#page=37).
#### 4.2.3 Mangaanstaal
Mangaanstaal bevat 1 tot 15% mangaan. De eigenschappen omvatten een hogere treksterkte en hoge slijtvastheid, maar het is moeilijker verspaanbaar. Toepassingen zijn onder andere assen, bouten, moeren, spoorwissels, rails en baggerbakken [38](#page=38).
#### 4.2.4 Chroomstaal
Chroomstaal bevat 1 tot 30% chroom. De eigenschappen zijn hardheid, sterkte en taaiheid. Met meer dan 11% chroom wordt het staal corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. Toepassingen variëren afhankelijk van het chroomgehalte [39](#page=39):
* 1-8%: Stempels, kogels, lagers [39](#page=39).
* 6-12%: Messen (corrosievast), rollen voor rollagers (slijtvast) [39](#page=39).
* 10-18%: Schoepen voor stoomturbines, onderdelen in de chemische, zuivel- en voedingsindustrie (zuurbestendig vanaf hier) [39](#page=39).
* 20-30%: Onderdelen van gasturbines, bestand tegen zeer hoge temperaturen (tot 2000°C) [39](#page=39).
#### 4.2.5 Nikkelstaal
Nikkelstaal bevat 2 tot 50% nikkel. Het is hard, sterk, taai, corrosievast, zelfs bij zeer lage temperaturen, en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt. Toepassingen zijn divers [40](#page=40):
* 2-5%: Nokken, nokkenassen, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, drijfstangen, ketelplaat [40](#page=40).
* 8-10%: Apparatuur voor opslag en transport van vloeibare gassen [40](#page=40).
* 25%: Schoepen voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en oxidatie [40](#page=40).
* 36% (Invarstaal): Onderdelen voor meetinstrumenten, standaardlengtematen, stalen bruggen in motorzuigers om vervorming bij hoge temperaturen te voorkomen [40](#page=40).
* 50%: Kernen van elektromotoren en transformatoren vanwege de hoge magnetische veldsterkte [40](#page=40).
#### 4.2.6 Chroom-nikkelstaal
Chroom-nikkelstaal bevat typisch 12 tot 26% chroom en 1 tot 20% nikkel. Het is zuur- en corrosievast, en hittebestendig. Toepassingen zijn onder andere medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, matrijzen voor kunststofvormen, en onderdelen voor de chemische en voedingsmiddelenindustrie. Specifieke samenstellingen zoals Cr: 18-20% en Ni: 8-10% worden veel gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie en voor onderdelen van verbrandingsmotoren zoals krukassen en nokkenassen [41](#page=41) [42](#page=42).
### 4.3 Roestvast staal (RVS)
Roestvast staal omvat chroomstaal (11-30% chroom) en chroom-nikkelstaal (17-20% chroom en 6-17% nikkel). Aanvullende legeringselementen kunnen worden toegevoegd: molybdeen voor bestendigheid tegen putcorrosie, zwavel voor betere verspaanbaarheid, en titanium voor betere lasbaarheid [43](#page=43).
### 4.4 Verenstaal
Verenstaal wordt gekenmerkt door legeringselementen zoals chroom en vanadium, chroom en silicium, mangaan en silicium, of chroom en nikkel (wat resulteert in roestvast verenstaal). De belangrijkste eigenschappen zijn een hoge treksterkte en hoge veerkracht. Typische toepassingen zijn blad-, schroef- en spiraalveren voor auto's, vrachtwagens en locomotieven [44](#page=44).
### 4.5 Automatenstaal
Automatenstaal bevat legeringselementen zoals lood en zwavel. Dit leidt tot een goede verspanende werkbaarheid en de vorming van korte spanen. Het wordt voornamelijk toegepast in draaiwerk en voor assen [45](#page=45).
### 4.6 Gietijzer - Gietstaal
Gietijzer en gietstaal met minimaal 2,5% koolstof worden direct na productie in een gietvorm gegoten. Ze kenmerken zich door een goede verspanende werkbaarheid en de productie van korte spanen [46](#page=46).
---
# Warmtebehandeling en oppervlakteverharding van staal
Dit hoofdstuk behandelt diverse warmtebehandelingen die toegepast worden op staal om de mechanische eigenschappen te verbeteren, alsook methoden om enkel het oppervlak van staal te verharden.
### 5.1 Warmtebehandelingen
Warmtebehandelingen maken gebruik van gecontroleerde verhitting en afkoeling om de microstructuur van staal te veranderen, wat resulteert in gewijzigde materiaaleigenschappen. Het ijzer-koolstofdiagram is hierbij een belangrijk referentiepunt, maar dit diagram is enkel geldig bij voldoende trage afkoelsnelheden die evenwichtscondities benaderen. Snelle afkoeling kan leiden tot de vorming van nieuwe structuren [48](#page=48).
#### 5.1.1 Harden
Harden is een warmtebehandeling die gericht is op het verkrijgen van een hoge hardheid door de vorming van martensiet, wat effectief de austenietfase "invriest" [48](#page=48).
* **Vereisten:** Een koolstofgehalte van 0,3 tot 0,6% is vereist voor effectief harden [49](#page=49).
* **Proces:**
* Opwarmen tot een temperatuur tussen 700°C en 1000°C, wat zich uit in een gele kleur [49](#page=49).
* Snel afkoelen, typisch in water of olie [49](#page=49).
* **Resultaat:** De hardingsdiepte varieert doorgaans van 4 tot 8 mm. Het verkregen materiaal is zeer hard, maar ook bros. Na het harden is het vaak noodzakelijk om het materiaal te ontlaten [49](#page=49).
#### 5.1.2 Ontlaten (temperen)
Ontlaten is een warmtebehandeling die direct na het harden wordt uitgevoerd om de brosheid te verminderen en de taaiheid te verhogen [50](#page=50).
* **Proces:** Het materiaal wordt gedurende 1 tot 3 uur op een temperatuur tussen 200°C en 350°C gehouden [50](#page=50).
* **Doelen:**
* Het wegvloeien van interne spanningen in het metaal [50](#page=50).
* Het verminderen van de hardheid (hoewel nog steeds hoog) en het significant verhogen van de taaiheid [50](#page=50).
* Het verkrijgen van een specifieke, gewenste hardheid [50](#page=50).
* **Beïnvloedende factoren:** De uiteindelijke hardheid is afhankelijk van zowel de ontlatingstemperatuur als de ontlatingsduur [50](#page=50).
* **Extra stappen:** Soms wordt na ontlaten de oxidelaag verwijderd, waarna opnieuw wordt verhit en afgeschrikt in water of olie [50](#page=50).
#### 5.1.3 Spanningsvrij gloeien
Deze warmtebehandeling wordt toegepast om interne spanningen die ontstaan zijn na bewerkingen of door andere thermische behandelingen te elimineren [51](#page=51).
* **Proces:** Langzame opwarming tot ongeveer 600°C gedurende 1 tot 3 uur, gevolgd door een langzame afkoeling [51](#page=51).
* **Doel:** Het wegvloeien van spanningen in het metaal, wat essentieel is om maatstabiel te blijven tijdens verdere thermische behandelingen zoals harden of carboneren [51](#page=51).
#### 5.1.4 Normaalgloeien
Normaalgloeien wordt gebruikt om de korrelstructuur van staal te verfijnen, met name na processen zoals smeden of persen die grote kristallen hebben veroorzaakt [52](#page=52).
* **Proces:** Verhitten tot circa 720°C, gevolgd door afkoeling in rustige lucht [52](#page=52).
* **Toepassing:** Vooral relevant voor staalsoorten met een koolstofgehalte groter dan 0,5% [52](#page=52).
* **Resultaat:** Dit leidt tot een toename van de taaiheid, kerfslagwaarde en rek van het materiaal [52](#page=52).
#### 5.1.5 Zachtgloeien
Zachtgloeien is bedoeld om staal fijnkorrelig te maken en beter verspaanbaar te maken, met name voor staalsoorten met een hoog koolstofgehalte [53](#page=53).
* **Proces:** Verhitten tot circa 740°C [53](#page=53).
* **Toepassing:** Specifiek voor staalsoorten met meer dan 0,8% koolstof, zoals gereedschapsstalen [53](#page=53).
* **Resultaat:** Maakt het metaal gemakkelijker te bewerken door de fijnkorrelige structuur [53](#page=53).
#### 5.1.6 Veredelen
Veredelen is een combinatie van harden en ontlaten om de sterkte en taaiheid van staal te verbeteren, waardoor het beter bestand wordt tegen stootbelasting [54](#page=54).
* **Proces:** Eerst wordt het staal gehard, waarna het wordt ontlaten bij temperaturen tussen 500°C en 600°C [54](#page=54).
* **Toepassing:** Geschikt voor componenten die hoge impact moeten weerstaan, zoals stempels voor dieptrekken [54](#page=54).
### 5.2 Oppervlakteverharding
Oppervlakteverhardingstechnieken hebben als doel om enkel het buitenoppervlak van het staal te verharden, terwijl de kern zacht blijft. Dit is wenselijk voor slijtvaste onderdelen die flexibiliteit in de kern nodig hebben [55](#page=55).
#### 5.2.1 Cementeren (carboneren)
Cementeren is een proces waarbij koolstof in het oppervlak van staal wordt gebracht om dit te verharden [55](#page=55).
* **Proces:**
* Verhitten tot 850°C tot 1000°C in een koolstofrijk milieu, wat kan gebeuren via poeder, gas of een zoutbad [55](#page=55).
* Afkoelen in water of olie [55](#page=55).
* **Resultaat:** Creëert een zeer harde buitenste laag met een dikte van 0,1 tot 2 mm, afhankelijk van de duur van de behandeling [55](#page=55).
#### 5.2.2 Nitreren
Nitreren is een oppervlaktebehandeling die stikstof in het staaloppervlak brengt om een harde en slijtvaste laag te vormen [55](#page=55).
* **Proces:** Inbrengen van stikstof bij temperaturen van 500°C tot 550°C gedurende een lange periode van 50 tot 120 uur [55](#page=55).
* **Voordelen:** Kenmerkt zich door weinig vervorming, vormt geen oxidelaag en vereist geen nabewerking na de behandeling, wat het een zeer nauwkeurige methode maakt, ook voor reeds op maat gemaakte onderdelen [55](#page=55).
* **Resultaat:** Vormt een harde en dunne slijtvaste laag, typisch toegepast op componenten zoals krukassen [55](#page=55).
#### 5.2.3 Vlamharden
Vlamharden is een methode waarbij het oppervlak van het staal met een brander wordt verhit, gevolgd door een snelle afkoeling [56](#page=56).
* **Proces:** Oppervlakteverhitting met een brander, direct gevolgd door snelle afkoeling [56](#page=56).
* **Beïnvloedende factoren:** De effectiviteit van vlamharden is afhankelijk van de temperatuur, de dikte van het materiaal en de snelheid waarmee de brander over het oppervlak beweegt [56](#page=56).
#### 5.2.4 Inductieharden
Inductieharden maakt gebruik van elektrische stromen en magnetische velden om het oppervlak van het werkstuk te verhitten [56](#page=56).
* **Proces:** Het werkstuk wordt geplaatst in een inductiespoel. Door middel van hoge frequenties (tot 500.000 Hz) wordt een elektrische stroom opgewekt die het oppervlak verhit [56](#page=56).
* **Opmerking:** In tegenstelling tot andere oppervlakteverhardingen, kan bij inductieharden de kern ook (gedeeltelijk) mee gehard worden, afhankelijk van de instellingen [56](#page=56).
---
# Non-ferro metalen en corrosie
Deze sectie introduceert non-ferro metalen, met een focus op aluminium en zijn legeringen, hun eigenschappen, bewerkingsmethoden en toepassingen, gevolgd door een uitleg van corrosie en strategieën om het te bestrijden.
### 6.1 Non-ferro metalen
Non-ferro metalen zijn metalen die geen ijzer bevatten [57](#page=57).
#### 6.1.1 Legeringen van non-ferro metalen
Verschillende non-ferro metalen worden gelegeerd om hun eigenschappen te verbeteren. Veelvoorkomende legeringen zijn:
* Koper-nikkel [58](#page=58).
* Koper-tin [58](#page=58).
* Nikkel-messing [58](#page=58).
#### 6.1.2 Aluminium
Aluminium is een veelgebruikt non-ferro metaal met diverse toepassingen [59](#page=59).
* **Afzetgebied in Europa:**
* Transportsector: 25% [59](#page=59).
* Bouwsector: 20% [59](#page=59).
* Verpakkingsindustrie: 20% [59](#page=59).
* Overige (engineering, huishoud, etc.): 35% [59](#page=59).
* **Erts:** Bauxiet [59](#page=59).
##### 6.1.2.1 Aluminium legeringen en eigenschappen
Aluminium wordt vaak gelegeerd met mangaan, magnesium of silicium om de mechanische bewerking, bestendigheid tegen zouten en gietbaarheid te verbeteren [60](#page=60).
* **Vervormbaarheid:** Aluminium is goed vervormbaar, wat flexibiliteit in design biedt. Het kan worden gewalst, geëxtrudeerd, geperst, gesmeed en gegoten. Het kan zelfs worden vervormd tot extreem dunne diktes van 0,006 mm [61](#page=61).
* **Duurzaamheid en corrosievastheid:** Het is duurzaam en corrosievast dankzij een goed hechtend oxidelaagje [61](#page=61).
* **Anodiseren:** Dit is een elektrochemisch proces om een dikkere, hechtende oxidelaag te creëren, wat resulteert in een hard oppervlak [61](#page=61).
* **Lage densiteit:** Dit zorgt voor gewichtsvermindering [61](#page=61).
* **Verbinding:** Aluminium is gemakkelijk te verbinden door lassen, solderen, klinken en lijmen [62](#page=62).
* **Recycleerbaarheid:** Het is volledig recycleerbaar [62](#page=62).
* **Sterkte:** Aluminium is minder sterk dan staal. De elasticiteitsmodulus is 70000 N/mm² en de treksterkte varieert van 40 tot 50 N/mm². Dit kan worden gecompenseerd door meer materiaal te gebruiken en slimme profilering toe te passen [62](#page=62).
* **Niet-toxisch:** Aluminiumfolie is niet-toxisch en wordt daarom gebruikt in de voedingsindustrie [62](#page=62).
* **Niet-magnetisch:** [62](#page=62).
* **Reflectievermogen:** Het heeft een hoog reflectievermogen, wat het geschikt maakt voor lampen [63](#page=63).
* **Elektrische geleiding:** Het is een goede elektrische geleider. De soortelijke weerstand is tweemaal die van koper, maar vanwege het veel lagere gewicht wordt het gebruikt in hoogspanningskabels [63](#page=63).
* **Warmtegeleiding:** Het is een goede warmtegeleider, wat het geschikt maakt voor kookgerei [63](#page=63).
* **Bewerking:** Aluminium is goed te polijsten en goed te verspanen [63](#page=63).
##### 6.1.2.2 Toepassingen van aluminium
* Aluminium extrusieprofielen [65](#page=65).
#### 6.1.3 Koperlegeringen
Koper is een van de meest gelegeerde metalen en staat bekend om zijn lange levensduur [66](#page=66).
* **Messing:** Dit is een legering van koper en zink [66](#page=66).
* Het is makkelijk te bewerken [66](#page=66).
* Er zijn drie soorten messing:
* Alfamessing (minder dan 40% zink): flexibel [66](#page=66).
* Betamessing: harder en sterker [66](#page=66).
* Wit messing (meer dan 45% zink): te bros [66](#page=66).
* **Brons:** Dit is een legering van koper en tin (10 tot 30%). Het is makkelijk te gieten maar kan niet meer verspaand worden [67](#page=67).
### 6.2 Corrosie
Corrosie is de chemische aantasting van het metaaloppervlak [69](#page=69).
#### 6.2.1 Oorzaken van corrosie
Corrosie wordt veroorzaakt door invloeden zoals:
* Zouten [69](#page=69).
* Zuren [69](#page=69).
* Water [69](#page=69).
* Zuurstof [69](#page=69).
* Oxidatie [69](#page=69).
* Dampen [69](#page=69).
#### 6.2.2 Bestrijding van corrosie
Corrosie kan op verschillende manieren worden bestreden:
* **Weren van vocht:** Het verwijderen van de oorzaak van de reactie [70](#page=70).
* **Voorkomen van elektrolytische werking:** Vermijden van contact tussen twee verschillende metalen [70](#page=70).
* **Legeren:** Het toevoegen van andere elementen aan het metaal om de weerstand te verhogen [70](#page=70).
* **Beïnvloeden van de aanrakingsvloeistof:** De omgeving van het metaal aanpassen [70](#page=70).
* **Aanbrengen van een deklaag:**
* Lakken [70](#page=70).
* Spuiten [70](#page=70).
* Platteren [70](#page=70).
* Metaallagen [70](#page=70).
* Dompelen [70](#page=70).
* **Anodiseren/kathodiseren:** Elektrochemische beschermingsmethoden [70](#page=70).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Erts | Natuurlijk voorkomende gesteente of mineraal waaruit een metaal economisch winbaar is. Ertzen bevatten vaak metaaloxiden of sulfiden die verder verwerkt moeten worden. |
| Raffinage | Het proces van het zuiveren van een ruw materiaal om onzuiverheden te verwijderen en een hoger percentage van het gewenste component te verkrijgen, zoals bij het verfijnen van metaalertsen. |
| Hoogoven | Een industriële oven die wordt gebruikt voor het smelten van ertsen, voornamelijk ijzererts, met cokes en hete lucht om ruwijzer te produceren. Dit proces vindt plaats bij zeer hoge temperaturen. |
| Ruwijzer | Het directe product van de hoogoven, dat nog een hoog koolstofgehalte (4-5%) en andere onzuiverheden bevat, waardoor het bros en niet direct geschikt als constructiemateriaal is. |
| Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met een of meer andere elementen, om eigenschappen te verbeteren zoals sterkte, hardheid of corrosiebestendigheid. Staal is een legering van ijzer en koolstof. |
| Martensiet | Een zeer harde microscopische structuur in staal die ontstaat door snelle afkoeling (harden) van de austenietfase. Het wordt vaak omschreven als het "invriezen" van deze fase en resulteert in een bros materiaal. |
| Ontlaten (temperen) | Een warmtebehandeling na het harden, waarbij het geharde metaal wordt opgewarmd tot een lagere temperatuur (200-350°C) om interne spanningen te verminderen en de taaiheid te verhogen, terwijl een deel van de hardheid behouden blijft. |
| Gloeien | Een warmtebehandeling waarbij metaal wordt verwarmd tot een bepaalde temperatuur en vervolgens langzaam wordt afgekoeld om interne spanningen te verminderen, de rekbaarheid te verhogen of de kristalstructuur te verfijnen. |
| Spanningsvrij gloeien | Een specifieke vorm van gloeien die wordt toegepast na bewerkingen om restspanningen in het metaal te verwijderen en maatstabiliteit te bevorderen, vooral belangrijk vóór verdere thermische behandelingen. |
| Normaalgloeien | Een warmtebehandeling die wordt gebruikt om grote kristallen, ontstaan door smeden of persen, kleiner te maken en de taaiheid, kerfslagwaarde en rek te verhogen, vooral bij ijzer-koolstofdiagrammen met een koolstofgehalte boven 0,5%. |
| Zachtgloeien | Een warmtebehandeling voor staalsoorten met een hoog koolstofgehalte (meer dan 0,8%), zoals gereedschapsstalen, met als doel het metaal fijnkorrelig te maken en de verspaanbaarheid te verbeteren. |
| Oppervlakteharden | Een techniek waarbij alleen het buitenoppervlak van een metaaldeel wordt verhard, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit wordt bereikt door methoden zoals cementeren, nitreren, vlamharden en inductieharden. |
| Non-ferro metaal | Een metaal dat geen ijzer bevat, zoals aluminium, koper, zink, nikkel en hun legeringen. Deze metalen hebben vaak andere eigenschappen dan ferro-metalen (ijzerhoudende metalen). |
| Corrosie | Het langzame chemische of elektrochemische proces waarbij een metaal wordt aangetast en degradeert door reactie met zijn omgeving, zoals oxidatie, aantasting door zuren of zouten. |
| Anodiseren | Een elektrochemisch proces dat wordt gebruikt om de natuurlijke oxidelaag op metalen, met name aluminium, te verdikken en te verharden. Dit verbetert de corrosiebestendigheid en slijtvastheid van het oppervlak. |
| Eutecticum | Een specifieke mengverhouding in een legering die, ondanks de algemene regel dat legeringen een stollingstraject hebben, toch één enkel, vast smeltpunt bezit. |
Cover
SGDMat_03_G.pdf
Summary
# Atomaire structuur en kwantumgetallen
Dit onderwerp verkent de evolutie van atoommodellen en introduceert de kwantumgetallen die de eigenschappen en gedragingen van elektronen binnen een atoom beschrijven.
### 1.1 Historische atoommodellen
De ontwikkeling van het begrip van de atomaire structuur is gekenmerkt door verschillende modellen:
* **John Dalton:** Stelde dat atomen ondeelbare deeltjes zijn [7](#page=7).
* **JJ Thomson:** Introduceerde het "pudding-model", waarbij elektronen als negatieve ladingen in een positief geladen bol werden beschouwd [7](#page=7).
* **Ernest Rutherford:** Ontwikkelde het planetaire model, met een positief geladen kern in het centrum en elektronen die eromheen cirkelen [7](#page=7).
* **Niels Bohr:** Verbeterde het planetaire model door te stellen dat elektronen zich in vaste banen rond de kern bevinden, waarbij elke baan een specifiek energieniveau heeft. Elektronen kunnen energieniveaus veranderen door over te springen naar andere banen [11](#page=11) [7](#page=7).
* **Erwin Schrödinger:** Stelde een kwantummechanisch model voor waarbij de exacte locatie van een elektron niet bepaald kan worden; in plaats daarvan worden orbitalen beschreven als waarschijnlijkheidsgebieden waar elektronen zich bevinden [8](#page=8).
* **James Chadwick:** Ontdekte het neutron [7](#page=7).
### 1.2 Het atoommodel van Schrödinger
Het model van Schrödinger gaat ervan uit dat elektronen geen exacte locaties hebben. In plaats daarvan worden hun posities beschreven in termen van waarschijnlijkheidsgebieden, bekend als orbitalen. Deze orbitalen representeren de ruimtelijke verdeling waar de kans om een elektron aan te treffen het grootst is [8](#page=8).
### 1.3 De kwantumgetallen van elektronen
Kwantumgetallen zijn een set getallen die de unieke toestand van elk elektron in een atoom beschrijven. Er zijn vier kwantumgetallen [9](#page=9):
#### 1.3.1 Het hoofdquantumgetal ($n$)
* Dit getal, dat positieve gehele waarden aanneemt ($n = 1, 2, 3, \dots$) is gerelateerd aan het energieniveau van het elektron [9](#page=9).
* Een hogere waarde van $n$ duidt op een hoger energieniveau [9](#page=9).
#### 1.3.2 Het nevenquantumgetal ($l$)
* Dit getal, dat waarden aanneemt van $0$ tot $n-1$ is gerelateerd aan de vorm van de orbitaal [9](#page=9).
* De waarden van $l$ worden vaak aangeduid met letters:
* $l=0$ correspondeert met een s-orbitaal (bolvormig) [9](#page=9).
* $l=1$ correspondeert met een p-orbitaal (halvormig, in drie richtingen) [9](#page=9).
* $l=2$ correspondeert met een d-orbitaal (complexere vormen) [9](#page=9).
* Enzovoort.
* Het nevenquantumgetal heeft ook invloed op het energieniveau van het elektron [9](#page=9).
#### 1.3.3 Het magnetisch kwantumgetal ($m_l$)
* Dit getal varieert van $-l$ tot $+l$, inclusief nul [9](#page=9).
* Het beschrijft de oriëntatie van de orbitaal in de ruimte.
#### 1.3.4 Het spinquantumgetal ($m_s$)
* Dit getal beschrijft het intrinsieke impulsmoment van het elektron, ook wel spin genoemd [9](#page=9).
* Elektronen hebben een spin van $+ \frac{1}{2}$ of $- \frac{1}{2}$ [9](#page=9).
* Dit is cruciaal voor het concept van een elektronenpaar, waarbij twee elektronen met tegengestelde spin een orbitaal kunnen bezetten [9](#page=9).
### 1.4 Het vullen van orbitalen
Bij het opbouwen van de elektronenschillen van een atoom worden specifieke regels gevolgd:
* **Uitsluitingsprincipe van Pauli:** Geen twee elektronen in een atoom kunnen dezelfde set van vier kwantumgetallen hebben. Dit betekent dat een orbitaal maximaal twee elektronen kan bevatten, en deze moeten tegengestelde spins hebben [10](#page=10).
* **Opbouwprincipe (Aufbauprincipe):** Elektronen vullen de orbitalen in volgorde van oplopende energie. Lagere energieniveaus worden eerst gevuld [10](#page=10).
* **Hund's regel:** Binnen een subschil (orbitalen met hetzelfde $l$-getal) worden de orbitalen eerst één voor één gevuld met elektronen met parallelle spin, voordat een orbitaal wordt bezet door een tweede elektron met tegengestelde spin [10](#page=10).
> **Tip:** Denk aan de kwantumgetallen als het "adres" van een elektron in een atoom, waarbij elk getal een specifiek aspect van zijn locatie en energie beschrijft.
---
# Het periodiek systeem en atomaire eigenschappen
Dit gedeelte behandelt de organisatie van elementen in het periodiek systeem en hoe atomaire eigenschappen de materiaaldichtheid beïnvloeden, evenals de identificatie van specifieke elementgroepen op basis van hun elektronenconfiguraties.
### 2.1 Atoommassa, atoomdiameter en materiaaldichtheid
De dichtheid van een materiaal wordt beïnvloed door de eigenschappen van de individuele atomen waaruit het is opgebouwd. Twee cruciale atomaire eigenschappen hierin zijn de atoommassa en de atoomdiameter [13](#page=13).
#### 2.1.1 Atoommassa
De atoommassa wordt voornamelijk bepaald door het gewicht van de atoomkern, wat weer afhangt van het aantal protonen en neutronen. De molmassa, uitgedrukt in gram per mol (g/mol), is een directe weergave hiervan [13](#page=13).
#### 2.1.2 Atoomdiameter
De atoomdiameter wordt gedefinieerd door de afmetingen van de elektronenwolk rond de kern [13](#page=13).
#### 2.1.3 Atoomdichtheid
De "atoomdichtheid" kan worden berekend als de verhouding van de massa van een atoom tot het volume van een atoom. Dit concept helpt bij het begrijpen van de compactheid van individuele atomen [13](#page=13).
#### 2.1.4 Verhouding atoomdichtheid tot materiaaldichtheid
Het is mogelijk om de verhouding te berekenen tussen de atoomdichtheid en de materiaaldichtheid van een element. Dit geeft inzicht in hoe efficiënt atomen zijn verpakt in een vast materiaal.
> **Voorbeeld:** De verhouding van de atoomdichtheid tot de materiaaldichtheid van titanium werd berekend. De molmassa van titanium is $47.867 \text{ g/mol}$. De atoomdiameter van Ti is $0.294 \text{ nm}$. De dichtheid van titanium is $4540 \text{ kg/m}^3$ [14](#page=14).
>
> De berekening van het volume van één atoom, de massa van één atoom en de atoomdichtheid leidt tot een verhouding van $1.32$ [14](#page=14).
>
> De formules die hierbij gebruikt worden zijn:
> $$V_{\text{atoom}} = \frac{4}{3}\pi R^3$$ [14](#page=14).
> Waarbij $R$ de straal van het atoom is.
>
> $$m_{\text{atoom}} = \frac{\text{molmassa}}{N_A}$$ [14](#page=14).
> Waarbij $N_A$ de constante van Avogadro is.
>
> $$ \rho_{\text{atoom}} = \frac{m_{\text{atoom}}}{V_{\text{atoom}}} $$ [14](#page=14).
Andere factoren kunnen ook de uiteindelijke dichtheid van materialen beïnvloeden. De dichtheid varieert significant tussen verschillende materiaalklassen zoals metalen keramiek en polymeren [15](#page=15) [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18).
### 2.2 Identificatie van elementgroepen op basis van elektronenconfiguratie
De plaatsbepaling van elementen in het periodiek systeem en hun classificatie als edelgas, halogeen, alkalimetaal, aardalkalimetaal of transitiemetaal kan worden afgeleid uit hun elektronenconfiguraties [19](#page=19) [20](#page=20).
#### 2.2.1 Elektronenconfiguratie van ionen
Het is mogelijk om de elektronenconfiguratie voor specifieke ionen te bepalen.
> **Oefening:** Geef de elektronenconfiguratie voor de volgende ionen: $P^{5+}$ en $P^{3-}$ [19](#page=19).
#### 2.2.2 Classificatie op basis van elektronenconfiguratie
Op basis van de volledige elektronenconfiguratie kan een element worden ingedeeld in een specifieke groep van het periodiek systeem.
> **Oefening:** Bepaal, gebaseerd op de volgende elektronenconfiguraties, of het element een edelgas, een halogeen, een alkalimetaal, een aardalkalimetaal of een transitiemetaal is [20](#page=20):
>
> a) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$
> b) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^7 4s^2$
> c) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6$
> d) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$
> e) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^5 5s^2$
> f) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$
---
# Interatomaire bindingen
Dit deel introduceert de verschillende soorten primaire (ionisch, covalent, metallisch) en secundaire (Van der Waals) bindingen tussen atomen en bouwstenen, inclusief hun kenmerken en voorkomende materialen [25](#page=25).
### 3.1 Bouwstenen in materialen
Bouwstenen in materialen kunnen individuele atomen zijn, zoals koolstof in grafiet. Ze kunnen ook moleculen met een beperkt aantal atomen betreffen, zoals siliciumdioxide ($SiO_2$) in zand. Daarnaast kunnen het macromoleculen met een groot aantal atomen zijn, zoals polyethyleen. Voor de eenvoud worden in de figuren bindingen tussen atomen weergegeven [22](#page=22) [23](#page=23).
### 3.2 Binding tussen atomen
Bindingen tussen atomen worden onderverdeeld in primaire en secundaire bindingen [25](#page=25).
#### 3.2.1 Primaire bindingen
Primaire bindingen zijn sterke bindingen die ontstaan door de interactie van valentie-elektronen [25](#page=25).
##### 3.2.1.1 Ionische binding
De ionische binding ontstaat wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen atomen groter is dan 1,7. Dit type binding komt voor in zouten, die doorgaans wateroplosbaar zijn, en in keramische materialen. Natrium (een elektropositief element) heeft een sterke neiging om een elektron af te staan, terwijl fluor (een elektronegatief element) een sterke neiging heeft om een elektron op te nemen [23](#page=23) [27](#page=27).
##### 3.2.1.2 Covalente binding
De covalente binding treedt op tussen elektronegatieve elementen. Hierbij delen atomen elektronen in gemeenschappelijke orbitalen, een proces dat "hybridisatie" wordt genoemd en resulteert in $\sigma$ en $\pi$ bindingen. Deze binding is richtingsafhankelijk en sterk. In polymeren zorgen covalente bindingen voor de structuur binnen de macromoleculen, waarbij bindingshoeken een zigzagstructuur veroorzaken [28](#page=28) [29](#page=29) [30](#page=30).
##### 3.2.1.3 Metallische binding
De metallische binding komt voor tussen elektropositieve elementen. Bij dit type binding worden elektronen gedeeld door alle atomen, waardoor de positieve atoomkernen in een "zee van elektronen" zweven [31](#page=31).
#### 3.2.2 Secundaire (Van der Waals) bindingen
Secundaire bindingen, ook wel Van der Waals-bindingen genoemd, zijn zwakkere bindingen waarbij geen volledige deling of overdracht van elektronen plaatsvindt. Deze bindingen kunnen worden onderverdeeld in bindingen door permanente dipolen en tijdelijke dipolen [32](#page=32).
##### 3.2.2.1 Permanente dipolen
Een permanente dipool ontstaat door een permanente asymmetrie in de elektronenverdeling, wat wordt bepaald door het verschil in elektronegativiteit tussen atomen. Waterstofbruggen zijn een veelvoorkomend type permanente dipoolbinding, waarbij waterstof vaak gebonden is aan sterk elektronegatieve elementen zoals zuurstof (O), fluor (F), stikstof (N), of zwavel (S) en chloor (Cl). De bindingsenergie van waterstofbruggen varieert aanzienlijk, afhankelijk van de betrokken atomen [33](#page=33).
* F-H$\cdots$F: 162 kJ/mol [33](#page=33).
* O-H$\cdots$N: 29 kJ/mol [33](#page=33).
* O-H$\cdots$O: 21 kJ/mol [33](#page=33).
* N-H$\cdots$O: 8 kJ/mol [33](#page=33).
##### 3.2.2.2 Tijdelijke dipolen
Een tijdelijke dipool ontstaat door een toevallige asymmetrie in de elektronenwolk, of kan worden geïnduceerd door een nabijgelegen polaire groep. De bindingsenergie van tijdelijke dipolen is relatief laag, ongeveer 1 kJ/mol [34](#page=34).
> **Tip:** Secundaire bindingen spelen een cruciale rol in polymeren, met name in thermoplasten, waar ze de binding tussen macromoleculen verzorgen. Polyvinylchloride (PVC) is hiervan een voorbeeld [35](#page=35).
### 3.3 Bindingen in specifieke materialen
De aard van de bindingen bepaalt de eigenschappen van materialen. Koolstof kan bijvoorbeeld voorkomen in diamant, met sterke covalente bindingen, of in grafiet, waar de bindingen complexer zijn, met zowel covalente bindingen binnen lagen als zwakkere Van der Waals-krachten tussen de lagen. De verschillende materiaalfamilies vertonen diverse combinaties van deze bindingen, wat leidt tot hun unieke eigenschappen [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38).
---
# Bindingskracht, bindingsenergie en stijfheid
Dit onderwerp verklaart hoe aantrekkings- en afstotingskrachten leiden tot bindingen, de relatie tussen bindingsenergie en de afstand tussen atomen, en hoe de sterkte van bindingen de stijfheid van materialen beïnvloedt [39](#page=39).
### 4.1 Het ontstaan van binding
Bindingen tussen atomen of bouwstenen ontstaan door een balans tussen aantrekkings- en afstotingskrachten [40](#page=40).
* **Aantrekkingskracht:** Dit is de affiniteit tussen de atomen of bouwstenen die hen naar elkaar toe trekt [40](#page=40).
* **Afstotingskracht:** Deze ontstaat door de elektrische afstoting van de elektronenwolken van de atomen en de elektrische afstoting van de atoomkernen. Dit wordt ook wel "sterische hinder" genoemd wanneer de atomen te dicht op elkaar komen [40](#page=40).
De netto kracht tussen twee atomen kan worden weergegeven als een som van deze krachten:
$F_{netto} = F_{aantrekking} + F_{afstoting}$ [41](#page=41).
Specifieke formules voor deze krachten worden gegeven als:
$F_{aantrekking} = -A / a^m$ [41](#page=41).
$F_{afstoting} = B / a^n$ [41](#page=41).
Waarbij $A$, $B$, $m$ en $n$ constanten zijn, en $a$ de afstand tussen de atomen is [41](#page=41).
### 4.2 Bindingsenergie en evenwichtsafstand
De bindingsenergie is gerelateerd aan de bindingskrachten en de afstand tussen atomen. Het is de hoeveelheid energie die nodig is om twee gebonden atomen tot oneindige afstand van elkaar te scheiden [42](#page=42).
De bindingsenergiecurve wordt verkregen door de bindingskrachtcurve te integreren. De bindingsenergie ($U$) wordt berekend door de kracht ($F$) te integreren over de afstand ($x$) van oneindig naar de evenwichtsafstand ($a_0$) [42](#page=42):
$U = \int_{a_0}^{\infty} F dx$ [42](#page=42).
Dit kan ook worden uitgedrukt als de negatieve integraal van de potentiële energie:
$U = \int_{0}^{a} U_0 dx$ [42](#page=42).
[ ] [43](#page=43).
*De figuur op pagina 43 toont typisch een bindingsenergiecurve, waarbij de bindingsenergie wordt uitgezet tegen de bindingsafstand. Het laagste punt van de curve vertegenwoordigt de meest stabiele toestand, de evenwichtsafstand, waarbij de potentiële energie minimaal is.*
[ ] [44](#page=44).
*Pagina 44 geeft een overzicht van de bindingsenergie voor verschillende materialen, wat de variatie in bindingssterkte aangeeft.*
### 4.3 Relatie met de stijfheid
De stijfheid van een materiaal is direct gerelateerd aan de sterkte van de bindingen tussen de atomen. Specifiek is de stijfheid gerelateerd aan de helling van de bindingskrachtcurve bij de evenwichtsafstand. Een steilere helling duidt op een grotere kracht die nodig is om de atomen van hun evenwichtsstand te verplaatsen, wat resulteert in een hogere stijfheid [45](#page=45).
De E-modulus (Young's modulus) is een maat voor de stijfheid van een materiaal. Er is een directe relatie tussen de bindingsenergie en de E-modulus. Materialen met een hogere bindingsenergie, zoals diamant met een covalente binding, vertonen een veel hogere E-modulus (1000 GPa) dan materialen met lagere bindingsenergieën, zoals polyethyleen met een covalente en secundaire binding (1 GPa) [46](#page=46).
Tabel 4.1: Relatie bindingsenergie – E-modulus [46](#page=46).
| Materiaal | Type binding | Bindingsenergie (kJ/mol) | Young’s modulus (GPa) |
| --------------- | ------------------- | ------------------------ | --------------------- |
| Diamant | Covalent | 713 | 1000 |
| Ijzer | Metallisch | 406 | 210 |
| Aluminium | Metallisch | 324 | 72 |
| Keukenzout (NaCl) | Ionisch | 640 | 40 |
| Polyethyleen | Covalent en secundair | ±30 | 1 |
### 4.4 Poisson contractie
Poisson contractie verwijst naar de neiging van een materiaal om in de breedte te krimpen wanneer het in de lengte wordt uitgerekt. Dit fenomeen is een gevolg van de interne bindingskrachten en de geometrie van het materiaal onder spanning [47](#page=47).
### 4.5 Reflectie en toepassing
Een belangrijke reflectievraag betreft het verschil in eigenschappen tussen natrium (Na) en natriumchloride (NaCl). Natrium, een metaal, heeft relatief zwakke metallische bindingen, wat resulteert in een zacht, kneedbaar materiaal dat gemakkelijk gesneden kan worden. Natriumchloride, daarentegen, is een ionische verbinding met sterke ionische bindingen. Deze sterke bindingen maken het een hard, bros kristal dat niet gemakkelijk gebogen kan worden. Dit illustreert hoe de aard en sterkte van de bindingen fundamenteel de macroscopische eigenschappen van materialen bepalen [48](#page=48).
> **Tip:** Begrijp dat de kern van dit onderwerp ligt in het verband tussen de microscopische interacties (krachten en energie tussen atomen) en de macroscopische eigenschappen van materialen (zoals stijfheid en brossheid). Visualiseer de bindingsenergiecurve om de concepten van evenwichtsafstand en de energiebarrière te begrijpen.
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Kwantumgetal | Een set getallen die de eigenschappen van een elektron in een atoom beschrijven, zoals energie, vorm en oriëntatie van het orbitaal, en de spin van het elektron. |
| Hoofdquantumgetal (n) | Beschrijft het energieniveau van een elektron in een atoom. Hoe hoger de waarde van n, hoe hoger de energie en hoe verder het elektron zich gemiddeld van de kern bevindt. |
| Nevenquantumgetal (l) | Beschrijft de vorm van de orbitaal waarin een elektron zich bevindt. Dit kan s (bolvormig, l=0), p (halvemaanvormig, l=1), d (complexere vormen, l=2), etc. zijn. |
| Magnetisch quantumgetal (ml) | Beschrijft de ruimtelijke oriëntatie van een orbitaal in een magnetisch veld. De mogelijke waarden lopen van -l tot +l, inclusief nul. |
| Spinquantumgetal | Beschrijft de intrinsieke hoekimpuls van een elektron, ook wel spin genoemd. Dit kan twee waarden aannemen: +½ of -½, wat de spin-up en spin-down toestanden aanduidt. |
| Orbitaal | Een waarschijnlijkheidsgebied rond de atoomkern waar een elektron zich met een hoge kans bevindt. Orbitalen hebben specifieke vormen en energieën. |
| Periodiek systeem | Een tabel die chemische elementen rangschikt op basis van hun atoomnummer, elektronenconfiguratie en herhalende chemische eigenschappen. |
| Atoommassa | De totale massa van een atoom, voornamelijk bepaald door het aantal protonen en neutronen in de atoomkern. |
| Atoomdiameter | De typische grootte van een atoom, bepaald door de afmetingen van de elektronenwolk rond de kern. |
| Materiaaldichtheid | De massa van een materiaal per volume-eenheid. Deze wordt beïnvloed door de atoommassa, atoomdiameter en hoe de atomen in het materiaal gepakt zijn. |
| Ionische binding | Een sterke chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief geladen ionen (kationen) en negatief geladen ionen (anionen), vaak gevormd tussen elementen met een groot verschil in elektronegativiteit. |
| Covalente binding | Een sterke chemische binding waarbij atomen elektronen delen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. Deze binding is richtingsafhankelijk. |
| Metallische binding | Een chemische binding die voorkomt in metalen, waarbij valentie-elektronen worden gedeeld tussen een rooster van positief geladen atoomkernen, wat resulteert in een zee van elektronen. |
| Secundaire binding (Van der Waals) | Zwakkere intermoleculaire of interatomaire bindingen die ontstaan door tijdelijke of permanente dipolen in moleculen of atomen. |
| Elektronegativiteit | Een maat voor het vermogen van een atoom om elektronen aan te trekken in een chemische binding. Een groot verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen duidt op een ionische binding. |
| Bindingskracht | De kracht die twee atomen of bouwstenen bij elkaar houdt. Deze kracht is het resultaat van aantrekkings- en afstotingskrachten en varieert met de afstand. |
| Bindingsenergie | De energie die nodig is om een binding te vormen of te verbreken. Een grotere bindingsenergie duidt op een sterkere binding. Het is gerelateerd aan de diepte van de bindingsenergiecurve. |
| Stijfheid (E-modulus) | Een materiaaleigenschap die de weerstand tegen elastische vervorming onder spanning aangeeft. Het is direct gerelateerd aan de helling van de bindingskrachtcurve bij de evenwichtsafstand. |
| Dipool | Een scheiding van positieve en negatieve elektrische ladingen in een molecuul of atoom, resulterend in een permanent of tijdelijk elektrisch veld. |
Cover
SGDMat_05_G.pdf
Summary
# Elektrische geleiding in vaste stoffen
Dit onderwerp verklaart de basisprincipes van elektrische geleiding in vaste stoffen door middel van energieniveaus en energiebanden, en classificeert materialen als geleiders, isolatoren en halfgeleiders, waarbij ook de wet van Ohm en de rol van resistiviteit en geleidbaarheid worden behandeld [4](#page=4).
### 1.1 Energieniveaus en energiebanden
In vaste stoffen interageren atomen met elkaar en ervaren ze elkaars elektronen. Het uitsluitingsprincipe van Pauli is hierbij relevant. Wanneer atomen samenkomen in een vaste stof, versmelten hun individuele energieniveaus tot brede energiebanden. Deze banden kunnen volledig of gedeeltelijk gevuld zijn met elektronen [5](#page=5) [6](#page=6).
De Fermi-energie is gedefinieerd als de hoogste bezette energietoestand bij een temperatuur van absolute nul (0 Kelvin). De manier waarop de energiebanden zijn gevuld en gescheiden, bepaalt de elektrische eigenschappen van een materiaal [7](#page=7).
### 1.2 Elektrische geleiding
Elektrische geleiding treedt op wanneer een materiaal in een elektrisch veld wordt geplaatst. De elektronen in het materiaal ondervinden dan een kracht, waardoor ze kunnen bewegen. In materialen waar relatief weinig energie nodig is om elektronen naar hogere energieniveaus te exciteren, kan een elektrische stroom ontstaan. Naast elektrische velden kan ook warmte-energie elektronen exciteren [8](#page=8) [9](#page=9).
### 1.3 Classificatie van materialen
Op basis van hun energiebandstructuur en het gemak waarmee elektronen kunnen bewegen, worden materialen ingedeeld in drie categorieën:
* **Geleiders:** In geleiders zijn de valentieband en de geleidingsband overlappend of de geleidingsband is slechts gedeeltelijk gevuld. Dit maakt het voor elektronen zeer gemakkelijk om te bewegen onder invloed van een extern elektrisch veld, wat resulteert in een elektrische stroom [9](#page=9).
* **Isolatoren:** Bij isolatoren is er een grote energieafstand (bandgap) tussen de volledig gevulde valentieband en de lege geleidingsband. Er is aanzienlijke energie nodig om elektronen van de valentieband naar de geleidingsband te brengen, waardoor er nauwelijks elektrische stroom loopt [9](#page=9).
* **Halfgeleiders:** Halfgeleiders hebben een middelgrote bandgap. Bij kamertemperatuur of door toevoeging van energie (bijvoorbeeld warmte of licht) kunnen enkele elektronen de geleidingsband bereiken, waardoor er enige geleiding optreedt [9](#page=9).
### 1.4 Wet van Ohm, resistiviteit en geleidbaarheid
De relatie tussen spanning ($V$), stroom ($I$) en weerstand ($R$) in een elektrische geleider wordt beschreven door de **wet van Ohm**: $V = IR$ [10](#page=10).
De weerstand ($R$) van een geleider hangt af van verschillende factoren:
* De lengte ($L$) van de geleider: weerstand stijgt met toenemende lengte [10](#page=10).
* Het oppervlak ($A$) van de dwarsdoorsnede: weerstand daalt met toenemende oppervlakte [10](#page=10).
* Het materiaal waaruit de geleider is gemaakt [10](#page=10).
Deze materiaaleigenschap wordt uitgedrukt door middel van de **resistiviteit** ($\rho_e$), ook wel soortelijke weerstand genoemd, en de **geleidbaarheid** ($\sigma_e$), ook wel soortelijke geleidbaarheid genoemd. De weerstand kan worden uitgedrukt als:
$$R = \rho_e \frac{L}{A}$$ [10](#page=10).
of
$$R = \frac{L}{A \sigma_e}$$ [10](#page=10).
Geleidbaarheid ($\sigma_e$) is het omgekeerde van resistiviteit ($\rho_e$): $\sigma_e = \frac{1}{\rho_e}$. Een lage resistiviteit betekent een hoge geleidbaarheid, en vice versa [10](#page=10).
Hieronder een tabel met typische resistiviteitswaarden voor verschillende materialen [11](#page=11):
| Materiaal | Resistiviteit, $\rho_e$ (Ω·m) bij 20 °C | Materiaal | Resistiviteit, $\rho_e$ (Ω·m) bij 20 °C |
| :-------------------------- | :------------------------------------ | :-------------------------------------------------- | :------------------------------------ |
| Zilver | 1.59 × 10−8 | Grafiet (// met de grafietvlakken) | 2.5 × 10−6 - 5 × 10−6 |
| Koper | 1.68 × 10−8 | GaAs | 10−3 - 108 |
| Goud | 2.44 × 10−8 | Grafiet (⊥ met de grafietvlakken) | 3 × 10−3 |
| Aluminium | 2.65 × 10−8 | Germanium | 4.6 × 10−1 |
| Wolfraam | 5.60 × 10−8 | Silicium | 2.3 × 103 |
| Zink | 5.90 × 10−8 | Diamant | 1012 |
| Kobalt | 6.24 × 10−8 | Aluminium oxide | > 1013 |
| Nikkel | 6.99 × 10−8 | Porselein | 1010 - 1012 |
| Lithium | 9.28 × 10−8 | Vensterglas | 1010 - 1011 |
| IJzer | 9.70 × 10−8 | Kwartsglas | 7.5 × 1017 |
| Platina | 1.06 × 10−7 | Beton | 109 |
| Tin | 1.09 × 10−7 | Hout (gedroogd) | 1014 to 1016 |
| Staal | 1.43 × 10−7 | Polystyreen | >1014 | .
| Lood | 2.20 × 10−7 | Polyethyleen | 1015 - 1017 |
| Titanium | 4.20 × 10−7 | Polyamide 6-6 | 1012 - 1013 |
| Roestvast staal | 6.90 × 10−7 | Hard rubber | 1013 | .
| Kwik | 9.80 × 10−7 | PET | 1021 |
| Mangaan | 1.44 × 10−6 | PTFE (Teflon) | 1023 to 1025 |
#### 1.4.1 Oefening voorbeeld
Bereken de weerstand van een aluminium draad met een diameter van 5,00 millimeter en een lengte van 5,00 meter. Bereken ook de stroom die doorheen de draad zou stromen als het spanningsverschil 0,0400 V is. De elektrische soortelijke geleidbaarheid voor aluminium is 3,80 × 107 (Ω·m)-1 [13](#page=13).
Gegeven:
* Diameter $d$ = 5,00 mm = 5,00 × 10−3 m
* Straal $r$ = $d/2$ = 2,50 mm = 2,50 × 10−3 m
* Lengte $L$ = 5,00 m
* Spanning $V$ = 0,0400 V
* Geleidbaarheid $\sigma_e$ = 3,80 × 107 (Ω·m)-1
Eerst berekenen we de oppervlakte van de dwarsdoorsnede:
$$A = \pi r^2 = \pi (2,50 \times 10^{-3} \text{ m})^2 = \pi (6,25 \times 10^{-6} \text{ m}^2) \approx 1,96 \times 10^{-5} \text{ m}^2$$
Vervolgens berekenen we de weerstand met de formule $R = \frac{L}{A \sigma_e}$:
$$R = \frac{5,00 \text{ m}}{(1,96 \times 10^{-5} \text{ m}^2) \times (3,80 \times 10^7 \text{ (Ω·m)}^{-1})}$$
$$R = \frac{5,00}{7,45} \Omega \approx 0,671 \Omega$$
Nu berekenen we de stroom met de wet van Ohm $I = \frac{V}{R}$:
$$I = \frac{0,0400 \text{ V}}{0,671 \Omega} \approx 0,0596 \text{ A}$$
**Resultaat:** De weerstand van de aluminium draad is ongeveer 0,671 Ω en de stroom die erdoorheen zou lopen bij een spanning van 0,0400 V is ongeveer 0,0596 A [13](#page=13).
### 1.5 Supergeleiders
Supergeleiders zijn materialen waarbij de elektrische weerstand opvalt tot nul daalt bij zeer lage temperaturen. Dit fenomeen opent deuren naar diverse technologische toepassingen [19](#page=19) [20](#page=20).
### 1.6 Contextuele voorbeelden
Een veelvoorkomende reflectievraag betreft waarom vogels veilig op hoogspanningskabels kunnen zitten zonder een elektrische schok te krijgen, ondanks de duizenden volts die erdoorheen lopen. Dit komt doordat de vogel een relatief hoge weerstand heeft en de stroom die erdoorheen loopt verwaarloosbaar is, omdat er geen significant spanningsverschil over de vogel ontstaat. De stroom zoekt namelijk de weg van de minste weerstand, wat de kabel is [31](#page=31).
---
# Halfgeleiders en hun eigenschappen
Dit deel behandelt de fundamentele eigenschappen van halfgeleidermaterialen, inclusief intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders, ladingsdragers en het proces van doteren.
### 2.1 Intrinsieke halfgeleiders
Intrinsieke halfgeleiders zijn zuivere halfgeleidermaterialen zonder toegevoegde onzuiverheden. Kenmerkend voor deze materialen is de beperkte band gap. Wanneer een elektron in een intrinsieke halfgeleider wordt geëxciteerd, wordt het mobiel en laat het een lege plaats achter in de valentieband. Deze lege plaats gedraagt zich als een positieve lading en wordt een 'gat' genoemd. In een intrinsieke halfgeleider is het aantal mobiele elektronen (n) gelijk aan het aantal gaten (p), dus $n=p$. De geleidbaarheid van intrinsieke halfgeleiders is sterk temperatuursafhankelijk. Voorbeelden van intrinsieke halfgeleiders zijn silicium (Si), germanium (Ge) en galliumarsenide (GaAs) [14](#page=14).
### 2.2 Extrinsieke halfgeleiders: doteren
Extrinsieke halfgeleiders worden gecreëerd door een proces genaamd doteren, waarbij een kleine hoeveelheid onzuiverheden wordt toegevoegd aan een zuiver halfgeleidermateriaal om het aantal ladingsdragers te verhogen en de elektrische eigenschappen te beïnvloeden [15](#page=15).
#### 2.2.1 n-dopering
Bij n-dopering worden atomen met meer valentie-elektronen dan het halfgeleidermateriaal zelf, toegevoegd. Een veelvoorkomend voorbeeld is het doteren van silicium met fosfor (P). Fosfor heeft vijf valentie-elektronen, terwijl silicium er vier heeft. Vier van de valentie-elektronen van fosfor vormen bindingen met de siliciumatomen, terwijl het vijfde elektron zwak gebonden is en gemakkelijk kan worden vrijgemaakt om een mobiel elektron te worden. Deze extra mobiele elektronen dragen de negatieve lading, vandaar de term 'n-doping' (negatief). De atomen die het extra elektron leveren, worden donor-atomen genoemd. Deze extra valentie-elektronen bevinden zich in een hogere energietoestand die zich tussen de valentieband en de conductieband bevindt [15](#page=15).
#### 2.2.2 p-dopering
Bij p-dopering worden atomen met minder valentie-elektronen dan het halfgeleidermateriaal zelf, toegevoegd. Voorbeelden hiervan zijn boor (B) of aluminium (Al) bij het doteren van silicium. Deze atomen hebben slechts drie valentie-elektronen, wat betekent dat er een tekort is aan één elektron om volledige bindingen te vormen met de omringende siliciumatomen. Dit tekort creëert een 'gat', dat zich gedraagt als een positieve ladingsdrager. Deze gaten kunnen zich door het materiaal verplaatsen doordat naburige elektronen naar het gat springen. De atomen die het gat creëren, worden acceptor-atomen genoemd. De gaten bevinden zich in een lager energieniveau dat zich tussen de valentieband en de conductieband bevindt. Hierdoor is er minder energie nodig om elektronen naar dit niveau te exciteren, waardoor gaten effectief worden gecreëerd [16](#page=16).
### 2.3 Toepassingen
De specifieke eigenschappen van intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders maken ze essentieel voor een breed scala aan elektronische toepassingen. Door het gecontroleerd doteren van halfgeleidermaterialen kunnen fabrikanten de geleidbaarheid en andere elektrische kenmerken aanpassen, wat de basis vormt voor componenten zoals diodes, transistors en geïntegreerde schakelingen die de kern vormen van moderne elektronica [17](#page=17).
---
# Thermische geleiding in materialen
Dit hoofdstuk verkent de mechanismen achter thermische geleiding en de bijbehorende warmtegeleidingscoëfficiënten van diverse materialen [21](#page=21).
### 3.1 Principes van thermische geleiding
Thermische geleiding is het proces waarbij warmte stroomt van een warmere naar een koudere zone binnen een materiaal of tussen materialen die in contact staan, als gevolg van een temperatuurverschil. Er zijn twee primaire mechanismen die bijdragen aan dit proces: de beweging van elektronen en de trillingen van atomen (fononen). De warmtegeleidingscoëfficiënt, aangeduid met $\lambda$, is een materiaaleigenschap die kwantificeert hoe goed een materiaal warmte geleidt. De eenheid hiervan is Watt per meter-Kelvin (W/(m·K)) [23](#page=23) [29](#page=29).
### 3.2 Warmtegeleiding door elektronenbeweging
In materialen die goed elektriciteit geleiden, zoals metalen, draagt de beweging van vrije elektronen significant bij aan thermische geleiding. Wanneer warmte wordt toegevoerd, worden de elektronen geëxciteerd en verkrijgen ze kinetische energie. Deze energierijke elektronen bewegen zich door het materiaal, zelfs met snelheden die vergelijkbaar zijn met de lichtsnelheid. Bij botsingen met de atoomroosters geven ze hun energie af, waardoor de temperatuur van het koudere deel van het materiaal toeneemt [24](#page=24) [25](#page=25).
Er bestaat een verband tussen de thermische en elektrische geleidbaarheid van materialen, dat beschreven kan worden met de Lorentz-constante ($L_0$), die een waarde heeft van $2.44 \times 10^{-8} \Omega W/K^2$. De relatie wordt weergegeven door de formule [25](#page=25):
$$L_0 = \frac{\lambda_{elektronisch}}{\sigma T}$$
waarbij $\lambda_{elektronisch}$ de bijdrage van elektronen aan de thermische geleiding is, $\sigma$ de elektrische geleidbaarheid en $T$ de temperatuur. Een andere gerelateerde formule voor de warmtegeleidingscoëfficiënt door elektronen is [25](#page=25):
$$ \lambda_{elektronisch} = \frac{1}{3} c_v v_f \ell $$
waarbij $c_v$ de soortelijke warmte van de elektronen is, $v_f$ de Fermi-snelheid en $\ell$ de gemiddelde vrije weglengte van de elektronen [25](#page=25).
### 3.3 Warmtegeleiding door atoomtrillingen (fononen)
In alle materialen, en met name in isolatoren waar vrije elektronen afwezig zijn, vindt warmtegeleiding plaats via trillingen van het atoomrooster. Bij hogere temperaturen bewegen de atomen in het rooster continu heen en weer rond hun evenwichtsstand. Een trillend atoom oefent een kracht uit op naburige atomen, waardoor deze ook gaan trillen en de trilling zich door het materiaal voortplant. Dit proces wordt voorgesteld als de beweging van 'fononen', wat deeltjesequivalenten zijn van deze trillingsgolven [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28).
De snelheid waarmee deze trillingen zich voortplanten, is vergelijkbaar met de geluidssnelheid in een vaste stof. Factoren die de snelheid van deze voortplanting beïnvloeden, zijn de stijfheid van de atoombindingen (stijvere bindingen leiden tot snellere voortplanting) en het atoomgewicht (zwaardere atomen leiden tot tragere voortplanting). De geluidssnelheid $c_0$ in een materiaal kan geschat worden met de volgende formule [27](#page=27):
$$c_0 = \sqrt{\frac{E}{\rho} \frac{1-\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}}$$
waarbij $E$ de Young's modulus, $\rho$ de dichtheid en $\nu$ de Poisson-verhouding van het materiaal zijn [28](#page=28).
> **Tip:** Fononen zijn kwantummechanische concepten die de discrete energiepakketjes van rooster vibraties vertegenwoordigen. Ze gedragen zich als deeltjes en spelen een cruciale rol in de thermische eigenschappen van vaste stoffen.
Enkele voorbeelden van geluidssnelheden in verschillende materialen zijn:
* IJzer: $5900 \, \text{m/s}$ [28](#page=28).
* Aluminium: $6300 \, \text{m/s}$ [28](#page=28).
* Diamant: $12900 \, \text{m/s}$ [28](#page=28).
* Lucht (bij $20^\circ \text{C}$): $343 \, \text{m/s}$ [28](#page=28).
### 3.4 Warmtegeleidingscoëfficiënten van diverse materialen
De warmtegeleidingscoëfficiënt ($\lambda$) varieert aanzienlijk tussen verschillende materialen, wat hun uiteenlopende toepassingen bepaalt. Over het algemeen hebben metalen hoge waarden voor $\lambda$, wat aangeeft dat ze uitstekende warmtegeleiders zijn [29](#page=29).
Tabel met warmtegeleidingscoëfficiënten $\lambda$ in W/(m·K) (bij $293 \, \text{K}$):
| Stof | $\lambda$ (W/(m·K)) | Stof | $\lambda$ (W/(m·K)) |
| :------------------- | :------------------ | :------------------------ | :------------------ |
| Zilver | 417 | Hout | 0.1 - 0.5 |
| Koper | 390 | Papier | 0.18 |
| Goud | 317 | Polyetheen (PE) | 0.23 - 0.29 |
| Aluminium | 237 | Polyamide 6-6 (Nylon) | 0.23 - 0.25 |
| Messing | 122 | Lucht | 0.024 |
| IJzer | 79 | Water | 0.6 |
| Staal | 50 | IJs (bij $269 \, \text{K}$) | 2.1 |
| Roestvast staal | 16 - 27 | Schuimbeton | 0.09 |
| Diamant | 900 - 2320 | Polystyreenschuim (EPS) | 0.035 |
| Grafiet | 160 | Minerale wol | 0.04 |
| Glas | 0.8 - 0.9 | Polyurethaanschuim | 0.03 |
| Beton | 0.2 - 20 | Aerogel | ca. 0.017 |
> **Voorbeeld:** Diamant heeft een uitzonderlijk hoge warmtegeleidingscoëfficiënt (tot wel $2320 \, \text{W/(m·K)}$) wat het een ideaal materiaal maakt voor toepassingen waar efficiënte warmteafvoer cruciaal is, zoals in koellichamen voor elektronica. Lucht daarentegen heeft een zeer lage waarde ($0.024 \, \text{W/(m·K)}$) wat het een effectief isolatiemateriaal maakt [29](#page=29).
De selectie van een materiaal voor een specifieke toepassing hangt sterk af van zijn warmtegeleidingscoëfficiënt. Materialen met hoge $\lambda$ worden gebruikt voor warmtegeleidende toepassingen, terwijl materialen met lage $\lambda$ worden ingezet voor thermische isolatie [29](#page=29) [30](#page=30).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Energiebanden | Structuren van energieniveaus in vaste stoffen die de beweging van elektronen bepalen en onderscheiden tussen geleiders, isolatoren en halfgeleiders. |
| Geleiders | Materialen met een lage elektrische weerstand, waarin elektronen gemakkelijk kunnen bewegen en een elektrische stroom kunnen geleiden. |
| Isolatoren | Materialen met een zeer hoge elektrische weerstand, waarin elektronen slechts met grote moeite kunnen bewegen, waardoor ze elektriciteit slecht geleiden. |
| Halfgeleiders | Materialen waarvan de elektrische geleidbaarheid ligt tussen die van geleiders en isolatoren, en die beïnvloed kan worden door temperatuur en dotering. |
| Soortelijke weerstand (resistiviteit) | Een materiaaleigenschap die aangeeft hoe sterk een materiaal zich verzet tegen elektrische stroom. Een hoge resistiviteit betekent een slechte geleider. |
| Soortelijke geleidbaarheid (conductiviteit) | De inverse van de soortelijke weerstand; een maat voor hoe goed een materiaal elektrische stroom geleidt. Een hoge conductiviteit betekent een goede geleider. |
| Wet van Ohm | Een fundamentele wet in de elektrotechniek die het verband beschrijft tussen spanning ($V$), stroom ($I$) en weerstand ($R$) in een elektrische schakeling, uitgedrukt als $V = I \cdot R$. |
| Fermi-energie | De hoogste energie die een elektron kan bezitten bij absolute nul temperatuur ($0$ K) in een vast materiaal. |
| Intrinsieke halfgeleider | Een halfgeleider die puur is en geen onzuiverheden bevat; het aantal vrije elektronen en gaten is gelijk en wordt bepaald door de temperatuur. |
| Extrinsieke halfgeleider | Een halfgeleider die is gedoteerd met specifieke onzuiverheden om het aantal ladingsdragers (elektronen of gaten) te verhogen, waardoor de geleidbaarheid wordt aangepast. |
| n-dopering | Het proces van het toevoegen van atomen met meer valentie-elektronen dan het basismateriaal (bijvoorbeeld fosfor in silicium), wat resulteert in een overschot aan vrije elektronen als ladingsdragers. |
| p-dopering | Het proces van het toevoegen van atomen met minder valentie-elektronen dan het basismateriaal (bijvoorbeeld borium in silicium), wat resulteert in een overschot aan gaten (positieve ladingsdragers). |
| Thermische geleiding | Het proces waarbij warmte wordt overgedragen door directe interactie tussen deeltjes, zoals atomen en elektronen, in een materiaal. |
| Fononen | Kwanta van rooster trillingen, die zich gedragen als deeltjes en verantwoordelijk zijn voor de warmteoverdracht in veel vaste stoffen via trillingsvoortplanting. |
| Warmtegeleidingscoëfficiënt ($\lambda$) | Een materiaaleigenschap die aangeeft hoe goed een materiaal warmte geleidt; een hoge coëfficiënt betekent een goede warmtegeleider. |
Cover
SGDMat_07_G.pdf
Summary
# Beschrijving van kristalroosters
Dit hoofdstuk introduceert de fundamentele concepten van kristallijne materialen, inclusief de opbouw van kristalroosters met eenheidscellen en Bravais roosters, en de identificatie van veelvoorkomende structuren in metalen [1](#page=1).
## 1.1 Ordening in een kristal
Kristallijne materialen worden gekenmerkt door een regelmatige, periodieke rangschikking van atomen, ionen of moleculen in de driedimensionale ruimte. Deze geordende structuur kan worden beschreven met behulp van de concepten roosterpunten, eenheidscellen en Bravais roosters [2](#page=2) [5](#page=5).
### 1.1.1 Roosterpunten
Een roosterpunt representeert de locatie van de bouwsteen (atoom, ion of molecuul) in het kristalrooster. In het geval van bijvoorbeeld keukenzout (NaCl) is de bouwsteen een NaCl-eenheid, en een roosterpunt kan zich in het centrum van een Na$^+$ ion bevinden [6](#page=6).
### 1.1.2 Eenheidscel
De eenheidscel is de kleinst mogelijke repetitieve eenheid die, door herhaling in drie dimensies, het gehele kristalrooster kan genereren. Het is de basiseenheid die de symmetrie en structuur van het kristal vastlegt [7](#page=7) [8](#page=8).
### 1.1.3 Beschrijving van een eenheidscel
Een eenheidscel wordt gedefinieerd door:
* De vorm ervan (bv. kubisch, tetragonaal, orthorombisch) [8](#page=8).
* De lengtematen van de zijden, aangeduid als $a$, $b$, en $c$ [8](#page=8).
* De hoeken tussen deze zijden, aangeduid als $\alpha$, $\beta$, en $\gamma$ [8](#page=8).
### 1.1.4 Beschrijving van de eenheidscel (plaatsing roosterpunten)
De manier waarop roosterpunten in de eenheidscel zijn geplaatst, bepaalt het type cel [9](#page=9):
* **Eenvoudig (primitief):** Roosterpunten bevinden zich alleen op de hoekpunten van de cel [9](#page=9).
* **Ruimtegecenterd (body-centered, BCC):** Roosterpunten bevinden zich op de hoekpunten én in het midden van het volume van de cel [9](#page=9).
* **Vlakkengecenterd (face-centered, FCC):** Roosterpunten bevinden zich op de hoekpunten én in het midden van de zijvlakken van de cel [9](#page=9).
* **Basisgecenterd (base-centered):** Roosterpunten bevinden zich op de hoekpunten én in het midden van de basisvlakken (twee tegenoverliggende vlakken) [9](#page=9).
### 1.1.5 Bravais roosters
Er zijn 14 unieke combinaties van eenheidscellen en roosterpunten, bekend als de Bravais roosters. Deze classificatie is gebaseerd op de kristallografische symmetrie en beschrijft alle mogelijke puntroosters in drie dimensies [10](#page=10).
## 1.2 Veel voorkomende kristalroosters in metalen
Metalen kristalliseren vaak in specifieke, compacte structuren waarbij de atomen als bouwsteen fungeren. Een roosterpunt correspondeert hierbij met een atoom. De meest voorkomende structuren in metalen zijn de Body-Centered Cubic (BCC), Face-Centered Cubic (FCC) en Hexagonal Close-Packed (HCP) structuren, die verder besproken zullen worden in de daaropvolgende paragrafen [11](#page=11).
---
# Veelvoorkomende kristalstructuren en hun eigenschappen
Dit deel van de studiehandleiding behandelt specifieke kristalstructuren in metalen, namelijk kubisch vlakkengecenterd (kvg-fcc), kubisch ruimtegecenterd (krg-bcc) en hexagonaal dichtgepakt (hdp-hcp), en vergelijkt hun kenmerken zoals vervormbaarheid, hardheid en smelttemperatuur [12](#page=12).
### 2.1 Kubisch vlakkengecenterd (kvg – fcc)
De kubisch vlakkengecenterde (kvg) structuur, ook bekend als face-centered cubic (fcc), is een veelvoorkomende kristalstructuur in metalen. Deze structuur kenmerkt zich door atomen op de hoekpunten van een kubus en in het midden van elk vlak [13](#page=13) [14](#page=14).
**Eigenschappen van kvg-fcc metalen:**
* **Vervormbaarheid:** Relatief makkelijk vervormbaar [13](#page=13).
* **Sterkte:** Redelijk sterk [13](#page=13).
* **Smelttemperatuur:** Lagere smelttemperatuur in vergelijking met andere structuren [13](#page=13).
* **Voorbeelden:** Koper (Cu), nikkel (Ni), aluminium (Al), goud (Au), zilver (Ag), platina (Pt), lood (Pb) en gamma-ijzer (γ-Fe) [13](#page=13).
### 2.2 Kubisch ruimtegecenterd (krg – bcc)
De kubisch ruimtegecenterde (krg) structuur, ook wel bekend als body-centered cubic (bcc), is een andere belangrijke kristalstructuur in metalen. Bij deze structuur bevinden zich atomen op de hoekpunten van een kubus en één atoom in het midden van de kubus [15](#page=15) [16](#page=16).
**Eigenschappen van krg-bcc metalen:**
* **Vervormbaarheid:** Moeilijk vervormbaar [15](#page=15).
* **Hardheid:** Hoge hardheid, slijtvastheid, taaiheid en sterkte [15](#page=15).
* **Smelttemperatuur:** Hoge smelttemperatuur [15](#page=15).
* **Voorbeelden:** Alfa-ijzer (α-Fe), chroom (Cr), molybdeen (Mo), tantaal (Ta) en wolfraam (W) [15](#page=15).
### 2.3 Hexagonaal dichtgepakt (hdp - hcp)
De hexagonaal dichtgepakte (hdp) structuur, of hexagonal-close packed (hcp), vertegenwoordigt een andere dichtste bolstapeling van atomen. Deze structuur wordt gekenmerkt door een hexagonale basiseenheid [17](#page=17) [18](#page=18) [19](#page=19).
**Eigenschappen van hdp-hcp metalen:**
* **Slijtvastheid:** Hoge slijtvastheid [17](#page=17).
* **Sterkte:** Hoge sterkte [17](#page=17).
* **Smelttemperatuur:** Hoge smelttemperatuur [17](#page=17).
* **Voorbeelden:** Zink (Zn), kobalt (Co), cadmium (Cd) en titanium (Ti) [17](#page=17).
> **Tip:** Het type kristalstructuur (fcc, bcc, hcp) heeft een directe invloed op de mechanische eigenschappen van een metaal, zoals de vervormbaarheid en hardheid. Dit is cruciaal voor materiaalkeuze in technische toepassingen.
---
# Miller indices, anisotropie en vullingsgraad
Dit gedeelte behandelt hoe Miller indices worden gebruikt om richtingen en vlakken in kristalroosters aan te duiden, het concept van anisotropie en de invloed van kristaloriëntatie hierop, en de berekening van de vullingsgraad voor verschillende roosters.
### 3.1 Miller indices voor richtingen
Miller indices worden gebruikt om specifieke richtingen binnen een kristalrooster te specificeren. Om de Miller indices voor een richting te bepalen, volgt men een stappenplan [21](#page=21):
1. **Verplaats de oorsprong** van het coördinatensysteem naar een punt op de richting die men wil beschrijven, bij voorkeur een hoekpunt van de eenheidscel [21](#page=21).
2. **Bepaal de coördinaten** van het punt waar de richting de eindige coördinaatassen (EHC) snijdt.
3. **Schaal de coördinaten** zodanig dat ze de kleinst mogelijke gehele getallen worden. Dit wordt gedaan door de coördinaten te vermenigvuldigen met de kleinste gemene veelvoud van de noemers [21](#page=21).
4. De resulterende gehele getallen zijn de Miller indices voor de richting, geschreven als $[hkl]$ [21](#page=21).
Een familie van equivalente richtingen wordt aangegeven met accolades, bijvoorbeeld $<100>$ vertegenwoordigt de familie van richtingen $ $, $ $, $ $, $[-100]$, $[0-10]$, en $[00-1]$ [001](#page=001) [010](#page=010) [21](#page=21).
### 3.2 Anisotropie in kristalroosters
Anisotropie is het verschijnsel waarbij materiaaleigenschappen afhankelijk zijn van de richting. In kristalstructuren kan dit zich uiten in variërende atoomafstanden, bindingssterktes of andere fysische eigenschappen in verschillende richtingen [22](#page=22).
#### 3.2.1 Voorbeelden van anisotropie in kubusvormige vlakgecentreerde (kvg) roosters
In kvg-roosters zijn de $<110>$-richtingen de dichtstgestapelde richtingen. Dit betekent dat de atoomdichtheid en de afstand tussen atomen langs deze richtingen significant zijn vergeleken met andere richtingen, zoals $ $ of $ $. De eigenschappen van het materiaal kunnen dus sterk verschillen afhankelijk van de oriëntatie [001](#page=001) [22](#page=22).
* **Dichtstgestapelde richtingen:** $<110>$ [22](#page=22).
* **Niet-dichtstgestapelde richtingen:** $ $, $ $ [001](#page=001) [22](#page=22).
#### 3.2.2 Miller indices voor vlakken
Miller indices worden ook gebruikt om vlakken binnen een kristalrooster te specificeren. Het bepalen van de Miller indices voor een vlak gebeurt als volgt [23](#page=23):
1. **Bepaal de snijpunten** van het vlak met de kristallografische assen. Indien een vlak parallel is aan een as, is het snijpunt oneindig ($\infty$) [23](#page=23).
2. **Neem het inverse** van deze snijpunten [23](#page=23).
3. **Schaal de inversen** zodanig dat ze de kleinst mogelijke gehele getallen worden [23](#page=23).
4. De resulterende gehele getallen zijn de Miller indices voor het vlak, geschreven als $(hkl)$ [23](#page=23).
Een familie van equivalente vlakken wordt aangegeven met accolades, bijvoorbeeld $\{100\}$ vertegenwoordigt de familie van vlakken $ $, $ $, $ $, $(-100)$, $(0-10)$, en $(00-1)$ [001](#page=001) [010](#page=010) [23](#page=23).
#### 3.2.3 Voorbeelden van anisotropie in vlakken van kvg-roosters
Net als bij richtingen vertonen ook vlakken in kvg-roosters anisotropie. De $\{111\}$-vlakken in kvg-roosters zijn dichtstgestapeld. De manier waarop de atomen in deze vlakken zijn gerangschikt, verschilt van de rangschikking in andere vlakken, wat leidt tot verschillende eigenschappen [25](#page=25).
### 3.3 Vullingsgraad
De vullingsgraad van een kristalrooster is de fractie van het volume van de eenheidscel die wordt ingenomen door atomen. Het is een maat voor hoe compact de atomen in een kristalstructuur zijn gepakt [27](#page=27).
#### 3.3.1 Vullingsgraad van een kubusvormig rooster (krg)
Voor een krg-rooster (lichaamgecentreerd kubisch) worden de atomen het dichtst gepakt langs de $<111>$-richtingen, wat overeenkomt met de ruimtediagonaal van de kubus [27](#page=27).
Om de vullingsgraad van een krg-rooster te berekenen, beschouwen we het -vlak. De atomen raken elkaar in de $ $-richting. De relatie tussen de atoomstraal ($R$) en de roosterparameter ($a$) voor een krg-rooster is [27](#page=27):
$$a\sqrt{3} = 4R$$ [27](#page=27).
Hieruit volgt dat $R = \frac{a\sqrt{3}}{4}$ [27](#page=27).
De vullingsgraad kan worden berekend door het volume van de atomen in de eenheidscel te delen door het totale volume van de eenheidscel:
$$V_{\text{eenheidscel}} = a^3$$ [27](#page=27).
Er zijn 2 atomen per eenheidscel in een krg-rooster (1 centraal atoom, en 8 hoekatomen die elk voor 1/8 deel bijdragen).
$$V_{\text{atomen}} = 2 \times \frac{4}{3}\pi R^3$$ [27](#page=27).
Substitutie van $R$:
$$V_{\text{atomen}} = 2 \times \frac{4}{3}\pi \left(\frac{a\sqrt{3}}{4}\right)^3 = 2 \times \frac{4}{3}\pi \frac{a^3 3\sqrt{3}}{64} = \frac{8\pi a^3 3\sqrt{3}}{192} = \frac{\pi a^3 3\sqrt{3}}{24}$$ [27](#page=27).
De vullingsgraad is dan:
$$\text{Vullingsgraad} = \frac{V_{\text{atomen}}}{V_{\text{eenheidscel}}} = \frac{\frac{\pi a^3 3\sqrt{3}}{24}}{a^3} = \frac{\pi 3\sqrt{3}}{24} = \frac{\pi \sqrt{3}}{8} \approx 0,68$$ [27](#page=27).
Dit komt overeen met een vullingsgraad van ongeveer 68%.
#### 3.3.2 Vullingsgraad van een hexagonaal dichtstgepakt (hdp) rooster
In een hdp-rooster is de vullingsgraad 74%. Dit is de maximale vullingsgraad die mogelijk is voor een pakking van identieke bollen [28](#page=28).
* **Roosterparameter relatie:** De zijde van de zeshoekige basis ($a_0$) is gelijk aan $2R$, en de hoogte ($c_0$) is gerelateerd aan $a_0$ door $c_0 = 1,633 a_0$ [28](#page=28).
* **Vullingsgraad:** 74% [28](#page=28).
> **Tip:** Begrijp dat de dichtstgestapelde richtingen en vlakken in een rooster direct verband houden met de anisotropie van het materiaal. De vullingsgraad geeft aan hoe efficiënt de ruimte binnen het rooster wordt benut door de atomen.
---
# Allotrope materialen
Allotrope materialen zijn elementen die in vaste toestand verschillende kristallijne structuren kunnen aannemen. Dit fenomeen, allotropie genoemd, is cruciaal voor het begrijpen van materiaaleigenschappen en toepassingen [31](#page=31).
### 4.1 Concept van allotropie
Allotropie treedt op wanneer een element, ondanks een identieke chemische samenstelling, een andere opbouw in de vaste toestand vertoont. Dit resulteert in verschillende allotrope vormen van hetzelfde element, die elk unieke fysische en chemische eigenschappen kunnen hebben [31](#page=31).
### 4.2 Allotrope vormen van ijzer
IJzer is een klassiek voorbeeld van een element met verschillende allotrope vormen, afhankelijk van de temperatuur. Deze vormen worden aangeduid met Griekse letters en hebben verschillende kristallijne structuren [32](#page=32):
* **Tot 912°C**: IJzer bestaat als $\alpha$-ijzer, dat een kubisch ruimtelijk gecentreerd (krg) rooster heeft [32](#page=32).
* **Tussen 912°C en 1394°C**: IJzer transformeert naar $\gamma$-ijzer, dat een kubisch vlakken gecentreerd (kvg) rooster heeft [32](#page=32).
* **Tussen 1394°C en 1538°C**: IJzer neemt de vorm aan van $\delta$-ijzer, wederom met een kubisch ruimtelijk gecentreerd (krg) rooster [32](#page=32).
Deze transformaties zijn van significant belang bij de verwerking en warmtebehandeling van ijzerlegeringen, zoals staal.
### 4.3 Allotrope vormen van koolstof
Koolstof is een ander element dat een breed scala aan allotrope vormen kent, met elk distinctieve structuren en eigenschappen . Enkele belangrijke allotrope vormen van koolstof zijn [33](#page=33) [34](#page=34):
* **Diamant**: Bekend om zijn extreme hardheid en hoge isolatie-eigenschappen, kenmerkt diamant zich door een tetraëdrisch roosterstructuur waarbij elk koolstofatoom covalent gebonden is aan vier andere koolstofatomen [33](#page=33).
* **Grafiet**: Dit is een meer gangbare vorm van koolstof die zacht en geleidend is. Grafiet bestaat uit lagen van zeshoekige koolstofatomen die relatief zwak aan elkaar gebonden zijn, wat de lamellaire structuur verklaart [33](#page=33).
* **Koolstofvezels**: Deze vezels worden geproduceerd door gecontroleerde carbonisatie en hebben een geordende structuur van koolstofatomen, wat resulteert in een hoge sterkte en stijfheid [34](#page=34).
* **Fullerenen, nanobuisjes en grafeen**: Dit zijn recentere ontdekkingen die bestaan uit gesloten structuren van koolstofatomen in verschillende configuraties, zoals bollen (fullerenen), cilinders (nanobuisjes) en enkele lagen van grafiet (grafeen) . Deze materialen hebben unieke elektronische en mechanische eigenschappen [34](#page=34).
### 4.4 Polykristallijne materialen en anisotropie
Veel materialen in vaste toestand zijn polykristallijn, wat betekent dat ze bestaan uit vele kleine kristallen (korrels) met dezelfde kristalstructuur maar verschillende oriëntaties [29](#page=29).
* **Isotroop gedrag**: Wanneer de oriëntatie van deze korrels willekeurig is, vertoont het materiaal isotroop gedrag, wat betekent dat de eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn [29](#page=29).
* **Anisotroop gedrag**: Als de korrels geen willekeurige oriëntatie hebben en er sprake is van een voorkeursrichting ("textuur"), dan vertoont het materiaal anisotroop gedrag, waarbij de eigenschappen in verschillende richtingen variëren. Dit kan ontstaan door bewerkingen zoals het walsen van plaatmetaal [29](#page=29).
> **Tip:** Het begrijpen van de kristalstructuur en oriëntatie van materialen is essentieel voor het ontwerpen van producten met specifieke prestaties, met name in de halfgeleiderindustrie en bij de productie van snijgereedschappen. Kleine variaties kunnen significante invloed hebben op de functionaliteit [35](#page=35).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Roosterpunt | Een specifieke locatie in een kristalrooster waar een bouwsteen (atoom, ion of molecuul) zich bevindt en die het herhalende patroon van het rooster bepaalt. |
| Eenheidscel | De kleinste geometrische eenheid die, wanneer herhaald in drie dimensies, het gehele kristalrooster opbouwt. De afmetingen en hoeken van de eenheidscel definiëren de structuur van het rooster. |
| Bravais rooster | Een van de 14 mogelijke driedimensionale roosterindelingen waarbij alle roosterpunten identiek zijn qua omgeving. Deze roosters worden geclassificeerd op basis van hun symmetrie en eenheidscelparameters. |
| Vullingsgraad | Het percentage van het totale volume van een eenheidscel dat wordt ingenomen door atomen, uitgedrukt als een fractie of percentage. Dit geeft een indicatie van hoe dicht de atomen in een kristal zijn opgestapeld. |
| Miller indices | Een notatiesysteem dat wordt gebruikt om richtingen en vlakken in een kristalrooster aan te duiden. Voor richtingen worden ze genoteerd als [uvw] en voor vlakken als (hkl), waarbij u, v, w en h, k, l gehele getallen zijn. |
| Anisotropie | De eigenschap van een materiaal waarbij zijn fysische of mechanische eigenschappen afhankelijk zijn van de richting. Dit is vaak gerelateerd aan de kristallijne structuur en oriëntatie van de atomen. |
| Polykristallijn materiaal | Een materiaal dat is opgebouwd uit vele kleine kristallen (ook wel korrels genoemd) die elk een eigen kristallijne oriëntatie hebben. De eigenschappen van het materiaal zijn een gemiddelde van die van de individuele korrels. |
| Allotropie | Het verschijnsel waarbij een element in vaste toestand in meer dan één kristallijne structuur kan voorkomen. Deze verschillende structuren worden allotrope vormen genoemd en hebben vaak verschillende eigenschappen. |
| Kubisch vlakkengecenterd (kvg) | Een kristalstructuur met atomen op de hoekpunten en in het midden van elk vlak van de kubische eenheidscel. Deze structuur kenmerkt metalen die relatief goed vervormbaar zijn. |
| Kubisch ruimtegecenterd (krg) | Een kristalstructuur met atomen op de hoekpunten en één atoom in het midden van de kubische eenheidscel. Deze structuur kenmerkt metalen die vaak hard, slijtvast en sterk zijn. |
| Hexagonaal dichtgepakt (hdp) | Een kristallijne structuur met een hexagonale symmetrie, waarbij de atomen een dichtste stapeling vormen. Deze structuur komt veel voor in metalen en kenmerkt zich door hoge hardheid en slijtvastheid. |
Cover
SGDMat_10_G.pdf
Summary
# Inleiding tot plasticiteit en de trekproef
Dit onderwerp verkent de concepten van plasticiteit en de rol ervan in materiaalkarakteristieken, met de trekproef als een essentieel experimenteel middel om deze eigenschappen te onderzoeken.
### 1.1 Wat is plasticiteit?
Plasticiteit verwijst naar de permanente vervorming die een materiaal ondergaat wanneer het wordt belast boven zijn elasticiteitsgrens. Dit fenomeen is fundamenteel in verschillende aspecten van materiaalkunde [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5):
* **Ontwerp:** Plasticiteit speelt een cruciale rol bij het ontwerpen van componenten die onder belasting mogen vervormen zonder te breken, waardoor een inherente veiligheidsmarge ontstaat [3](#page=3) [6](#page=6).
* **Productie:** Vele productieprocessen, zoals buigen, smeden en extruderen, maken gebruik van plastische vervorming om materialen in de gewenste vorm te brengen [4](#page=4).
* **Falen:** Het begrijpen van de plastische limieten van een materiaal is essentieel om te voorspellen wanneer en hoe het materiaal zal falen onder extreme belasting [5](#page=5).
Het onderscheid tussen ontwerp- en productiebelastingen is cruciaal; belastingen onder de vloeigrens leiden tot elastische vervorming, terwijl belastingen erboven plastische vervorming veroorzaken [7](#page=7).
### 1.2 De trekproef als experiment
De trekproef is een standaard experimentele methode om de mechanische eigenschappen van materialen te bepalen. Het is een destructieve test waarbij een monster wordt uitgerekt tot het breekt [8](#page=8).
#### 1.2.1 Meten van rek
Rek is een maat voor de relatieve lengteverandering van een materiaal. De **technische rek** ($\epsilon_{eng}$) wordt gedefinieerd als de verandering in lengte gedeeld door de oorspronkelijke lengte:
$$
\epsilon_{eng} = \frac{l - l_0}{l_0} = \frac{l}{l_0} - 1
$$
Hierin is $l$ de actuele lengte en $l_0$ de oorspronkelijke lengte van het materiaal [9](#page=9).
#### 1.2.2 Meten van spanning
Tijdens de trekproef wordt een kracht ($F$) uitgeoefend op het materiaal. De **technische spanning** ($\sigma_{eng}$) wordt gedefinieerd als de uitgeoefende kracht gedeeld door de oorspronkelijke dwarsdoorsnede-oppervlakte ($A_0$) van het monster:
$$
\sigma_{eng} = \frac{F}{A_0}
$$
Deze spanning wordt vaak geassocieerd met de beweging van dislocaties binnen het materiaal, wat leidt tot plastische vervorming [10](#page=10).
#### 1.2.3 De spanning-rek curve
De resultaten van een trekproef worden doorgaans weergegeven in een spanning-rek diagram, ook wel de "trekkromme" genoemd. Deze curve toont de relatie tussen de technische spanning en de technische rek [11](#page=11).
Belangrijke punten op de trekkromme zijn:
* **$E$ (Elasticiteitsmodulus):** Het lineaire gedeelte van de curve waar het materiaal elastisch vervormt. Hier geldt de wet van Hooke: $\sigma = E \epsilon$ [11](#page=11).
* **$R_e$ (Vloeigrens):** Het punt waar het materiaal begint met plastisch te vervormen [11](#page=11).
* **$R_p$ (Proportionele grens):** Het punt waar de relatie tussen spanning en rek niet langer lineair is [11](#page=11).
* **$R_m$ (Treksterkte):** Het maximale spanningsniveau dat het materiaal kan weerstaan voordat het begint te vernauwen (necking) [11](#page=11).
* **Breukrek:** De rek op het moment dat het materiaal breekt [11](#page=11).
* **Versteviging (Strain hardening):** Het fenomeen waarbij het materiaal sterker wordt naarmate het plastisch wordt vervormd [11](#page=11).
* **Ductiliteit (Vormbaarheid):** Het vermogen van een materiaal om plastisch te vervormen zonder te breken, wat wordt weerspiegeld in de lengte van het plastische gedeelte van de trekkromme [11](#page=11).
> **Tip:** Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen technische spanning en rek, en ware spanning en rek, vooral bij grote plastische vervormingen, hoewel de focus hier ligt op de technische waarden voor het initiële begrip van de trekproef [10](#page=10) [11](#page=11).
### 1.3 Anatomie van een trekproef
De trekproef wordt uitgevoerd met gespecialiseerde apparatuur om nauwkeurige metingen te garanderen.
#### 1.3.1 Het trektest proefstuk
De geometrie van een trektest proefstuk is ontworpen om een uniforme vervorming in de meetzone, de "gauge length", te waarborgen. De specifieke afmetingen van het proefstuk zijn materiaalafhankelijk [20](#page=20) [21](#page=21).
#### 1.3.2 De trekbank
Een trekbank is de machine die de trekproef uitvoert. De belangrijkste componenten zijn:
* **Krachtcel:** Meet de uitgeoefende kracht op het proefstuk. Deze cellen worden gekalibreerd om nauwkeurige krachtmetingen te garanderen [23](#page=23) [24](#page=24).
* **Extensometer:** Meet de verlenging van het monster in de meetzone [22](#page=22).
#### 1.3.3 Rekstrookjes
Rekstrookjes zijn kleine sensoren die worden gebruikt als lokale extensometers. Ze werken op basis van de weerstandsverandering die optreedt wanneer het rekstrookje wordt uitgerekt of samengedrukt. De weerstandsverandering ($\Delta R$) is evenredig met de rek ($\epsilon$) [23](#page=23) [24](#page=24):
$$
\frac{\Delta R}{R} \propto \epsilon
$$
Dit kan worden gekwantificeerd met een kalibratieconstante ($k$):
$$
\frac{\Delta R}{R} = k \epsilon
$$
Deze relatie maakt het mogelijk om zeer nauwkeurig de lokale rek te meten [24](#page=24).
### 1.4 De spanning-rek curve in detail
De spannings-rek curve is het eindproduct van een trekproef en geeft gedetailleerd inzicht in het gedrag van een materiaal onder trekbelasting [25](#page=25).
> **Tip:** Bestudeer de verschillende zones op de trekkromme grondig, inclusief de elastische zone, de vloeizone en het gebied van plastische vervorming en versteviging. Begrip van deze zones is cruciaal voor het toepassen van materiaalkennis in de praktijk.
---
# Gedrag van materialen: bros versus ductiel en thermoplasten
Dit deel van de studiehandleiding focust op de fundamentele verschillen in het gedrag van materialen, specifiek de overgang van ductiel naar bros gedrag, en introduceert de temperatuursafhankelijkheid van thermoplasten.
### 2.1 Bros versus ductiel materiaalgedrag
Materialen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun mechanische respons onder belasting, met name hoe ze vervormen en breken. De twee belangrijkste gedragstypes zijn bros en ductiel [13](#page=13).
#### 2.1.1 Ductiele metalen
Ductiele materialen vertonen zowel elastische als plastische vervorming voordat ze bezwijken [14](#page=14).
* **Elastische vervorming:** Dit is een tijdelijke vervorming die verdwijnt wanneer de belasting wordt verwijderd.
* **Plastische vervorming:** Dit is een permanente vervorming die behouden blijft na het verwijderen van de belasting.
Bij ductiele materialen treedt er na het bereiken van de maximale treksterkte ($R_m$) vaak een insnoering op, gevolgd door breuk. Een belangrijk kenmerk van ductiel gedrag is het vermogen om veel energie te absorberen voordat breuk optreedt [14](#page=14).
> **Tip:** Ductiel materiaalgedrag wordt vaak geassocieerd met een hoge taaiheid en een grote vervormingscapaciteit.
#### 2.1.2 Brossen materialen
Brosse materialen bezwijken zonder significante plastische vervorming [15](#page=15).
* **Spanningsopbouw en breuk:** Bij brosse materialen leidt spanningsopbouw direct tot een brosse breuk. Er is weinig tot geen plastische vervorming zichtbaar vóór het bezwijken [15](#page=15).
* **Voorbeelden van brosse materialen:**
* Keramische materialen, zoals glas [15](#page=15).
* Sommige metalen, bijvoorbeeld gietijzer [15](#page=15).
> **Voorbeeld:** Een glas breekt in scherven als het valt, zonder te buigen of te vervormen voorafgaand aan de breuk. Dit is kenmerkend voor bross gedrag.
### 2.2 Thermoplasten
Thermoplasten zijn een klasse van polymeren die sterk temperatuursafhankelijk gedrag vertonen. Hun mechanische eigenschappen veranderen significant met de temperatuur [16](#page=16).
* **Temperatuursafhankelijkheid:** Thermoplasten worden bij verhitting zachter en bij afkoeling weer harder [16](#page=16).
* **Glasovergangstemperatuur ($T_g$):** Dit is de kritische temperatuur waarbij een thermoplast overgaat van een harde, glasachtige toestand naar een meer zachte, rubberachtige of vloeibare toestand. Boven de $T_g$ zijn thermoplasten flexibeler en kunnen ze meer vervormen. Beneden de $T_g$ zijn ze stijver en kunnen ze brosser worden [16](#page=16).
> **Tip:** Het begrijpen van de glasovergangstemperatuur ($T_g$) is cruciaal bij het ontwerpen met thermoplasten, omdat de materiaaleigenschappen hier sterk van afhangen.
---
# Technische en ware spanning en rek
Dit onderwerp behandelt het onderscheid en de conversie tussen technische en ware spanning en rek, en hoe deze concepten materiaaleigenschappen nauwkeuriger beschrijven, vooral na het optreden van lokale vervorming zoals insnoering. [26-44
### 3.1 Inleiding tot spanning en rek
Traditionele spannings-rekcurves worden opgesteld met behulp van "technische" waarden, gebaseerd op de oorspronkelijke afmetingen van het proefstuk. Deze aanpak is geschikt voor het elastische gebied, waar de vervorming relatief klein is. Echter, naarmate het materiaal plastisch vervormt en er insnoering optreedt, wordt de dwarsdoorsnede van het proefstuk kleiner, wat leidt tot een afwijking tussen de technische en ware waarden [35](#page=35) [37](#page=37) [38](#page=38).
### 3.2 Elastische, plastische vervorming en rekversteviging
* **Vloeigrens:** Dit is het punt waarop een materiaal begint plastisch te vervormen. Bij zacht koolstofstaal kan een duidelijke vloeigrens worden waargenomen, vaak gekenmerkt door bovenste en onderste vloeigrenzen en het optreden van Lüdersbanden, wat gelokaliseerde plastische vervormingen zijn [26](#page=26) [27](#page=27).
* **Rekversteviging:** Na het bereiken van de vloeigrens, vertoont het materiaal rekversteviging (ook wel werkversteviging genoemd), wat betekent dat het materiaal sterker wordt naarmate het meer plastisch vervormt [28](#page=28) [29](#page=29).
* **Terugvering (Springback):** Wanneer de belasting wordt verwijderd na plastische vervorming, kan het materiaal elastisch terugveren. Dit betekent dat de uiteindelijke spanning lager zal zijn dan de maximale spanning die werd bereikt, en de uiteindelijke rek zal kleiner zijn dan de maximale bereikte rek [28](#page=28) [29](#page=29).
* **Pad-afhankelijkheid:** Plasticiteit is pad-afhankelijk. Dit betekent dat de eindtoestand (spanning en rek) afhangt van het specifieke pad dat het materiaal heeft doorlopen tijdens de belasting en ontlasting. Twee punten op een spanning-rekdiagram kunnen dezelfde spanning hebben maar een verschillende rek, afhankelijk van het traject dat is gevolgd [29](#page=29).
> **Tip:** Het concept van pad-afhankelijkheid is cruciaal voor het begrijpen van het gedrag van materialen in het plastische gebied. Het verklaart waarom een simpele extrapolatie van het elastische gedrag niet altijd volstaat voor plastische vervorming.
### 3.3 Uniforme vervorming en insnoering
* **Uniforme vervorming:** Dit is het gebied op de spanning-rekcurve waar de vervorming gelijkmatig over de gehele lengte van het proefstuk verdeeld is [30](#page=30) [31](#page=31) [32](#page=32).
* **Insnoering (Necking):** Na de maximale uniforme rek treedt er insnoering op. Dit is een fenomeen van heterogene vervorming waarbij de dwarsdoorsnede van het proefstuk op een bepaald punt lokaal begint af te nemen. Dit is een belangrijke maat voor de plastische vervormbaarheid van een materiaal [30](#page=30) [34](#page=34).
#### 3.3.1 Factoren die breukrek beïnvloeden
De breukrek van een materiaal is afhankelijk van de geometrie van het proefstuk en de beginlengte. Daarom moeten vergelijkingen van breukrek rekening houden met geometrisch gelijkvormige proefstukken. Een veelgebruikte maatstaf is A50, wat de breukrek aangeeft gemeten bij een beginlengte van 50 millimeter [33](#page=33).
#### 3.3.2 Insnoeringscoëfficiënt
De insnoeringscoëfficiënt ($\psi$) is een alternatieve maat voor ductiliteit en wordt gedefinieerd als de procentuele afname van de dwarsdoorsnede-oppervlakte bij breuk:
$$ \psi = \frac{A_0 - A}{A_0} $$
waarbij $A_0$ de oorspronkelijke dwarsdoorsnede is en $A$ de dwarsdoorsnede bij breuk [34](#page=34).
### 3.4 Ware spanning en ware rek
Ware spanning en ware rek bieden een nauwkeurigere beschrijving van het materiaalgedrag, vooral na de uniforme vervorming en bij insnoering [35](#page=35).
* **Ware spanning ($\sigma_{true}$):** Deze wordt berekend met de actuele dwarsdoorsnede van het materiaal, wat betekent dat de toenemende insnoering wordt meegenomen:
$$ \sigma_{true} = \frac{F}{A} $$
Omdat plasticiteit geen volumeverandering veroorzaakt ($A_0 l_0 = A l$), kan de ware spanning ook worden uitgedrukt als:
$$ \sigma_{true} = \frac{F l}{A_0 l_0} $$
of in termen van technische waarden:
$$ \sigma_{true} = \sigma_{eng} \frac{l}{l_0} = \sigma_{eng} (1 + \epsilon_{eng}) $$
* **Ware rek ($\epsilon_{true}$):** Deze wordt gedefinieerd als de natuurlijke logaritme van de verhouding van de actuele lengte tot de oorspronkelijke lengte:
$$ \epsilon_{true} = \int_{l_0}^{l} \frac{dl}{l} = \ln\left(\frac{l}{l_0}\right) $$
In termen van de technische rek ($\epsilon_{eng} = \frac{l - l_0}{l_0}$), is de ware rek:
$$ \epsilon_{true} = \ln\left(1 + \epsilon_{eng}\right) $$
> **Tip:** De conversie naar ware spanning en rek is essentieel voor het vergelijken van materiaaleigenschappen van proefstukken met verschillende geometrieën en voor het modelleren van materiaalgedrag in het late plastische stadium.
### 3.5 Verband tussen technische en ware spanning/rek
De omzetting van technische waarden naar ware waarden is een direct gevolg van de veranderende dwarsdoorsnede en lengte van het proefstuk tijdens de vervorming [36](#page=36).
* Technische rek: $\epsilon_{eng} = \frac{l - l_0}{l_0} = \frac{l}{l_0} - 1$ [36](#page=36).
* Ware spanning: $\sigma_{true} = \sigma_{eng} \frac{l}{l_0} = \sigma_{eng}(1 + \epsilon_{eng})$ [36](#page=36).
* Ware rek: $\epsilon_{true} = \ln\left(\frac{l}{l_0}\right) = \ln(1 + \epsilon_{eng})$ [36](#page=36).
Op een spanning-rekdiagram is de ware trekkromme (true stress-true strain curve) te zien, die significant verschilt van de technische trekkromme, vooral na het punt van maximale kracht. De omzetting naar ware waarden is echter alleen geldig in het uniforme vervormingsgebied [37](#page=37) [38](#page=38).
### 3.6 Criterium voor insnoering
Insnoering, of 'necking', begint bij het punt van maximale kracht, waar de toename van de belasting niet langer opweegt tegen de afname van de dwarsdoorsnede [40](#page=40).
* **Afleiding van het criterium:**
De kracht $P$ wordt gegeven door $P = \sigma A$ [40](#page=40).
De verandering in kracht is $dP = d(\sigma A) = d\sigma A + \sigma dA$ [40](#page=40).
Bij maximale kracht is $dP = 0$, dus $d\sigma A + \sigma dA = 0$ [40](#page=40).
Dit kan worden herschreven als:
$$ -\frac{dA}{A} = \frac{d\sigma}{\sigma} $$
Voor plastische vervorming geldt dat het volume constant blijft ($V = AL$, $dV = d(AL) = dAL + A dL = 0$) [40](#page=40).
Hieruit volgt dat:
$$ \frac{dL}{L} = -\frac{dA}{A} $$
Aangezien $d\epsilon = \frac{dL}{L}$, krijgen we:
$$ d\epsilon = -\frac{dA}{A} $$
Door dit te substitueren in de voorwaarde voor maximale kracht, krijgen we het insnoeringscriterium:
$$ \frac{d\sigma}{d\epsilon} = \sigma $$
met $\sigma = \sigma_{true}$ [40](#page=40).
* **Grafische interpretatie:** Dit criterium betekent dat insnoering begint wanneer de helling van de ware spannings-rekcurve gelijk is aan de ware spanning zelf. Op een spanning-rekdiagram is dit het punt waar de ware trekkromme de helling $\sigma$ heeft. Het punt waar de technische trekkromme zijn maximum bereikt, is het punt van maximale uniforme rek, waarna insnoering begint [39](#page=39) [41](#page=41).
### 3.7 Ware plastische rek
De ware spanning kan worden beschreven met de verstevigingswet van Hollomon, die de relatie tussen ware spanning en ware plastische rek weergeeft:
$$ \sigma_{true} = K (\epsilon_{true}^p)^n $$
waarbij:
* $\sigma_{true}$ de ware spanning is [43](#page=43).
* $K$ de sterkte-index is (sterktecoëfficiënt) [43](#page=43) [44](#page=44).
* $\epsilon_{true}^p$ de ware plastische rek is [43](#page=43).
* $n$ de rekverstevigingsindex is [43](#page=43) [44](#page=44).
De ware totale rek ($\epsilon_{true}$) bestaat uit een elastisch deel ($\epsilon_{true}^e$) en een plastisch deel ($\epsilon_{true}^p$):
$$ \epsilon_{true}^p = \epsilon_{true}^{total} - \epsilon_{true}^e $$
waarbij de elastische rek wordt gegeven door $\epsilon_{true}^e = \frac{\sigma_{true}}{E}$, met $E$ de elasticiteitsmodulus [43](#page=43).
> **Voorbeeld:** De tabel op pagina 44 toont typische waarden van $K$ en $n$ voor verschillende materialen, zoals puur aluminium, aluminiumlegeringen, messing, gietijzer en gelegeerd staal. Deze waarden zijn essentieel voor Computer Aided Engineering (CAE) toepassingen om het materiaalgedrag nauwkeurig te simuleren [44](#page=44).
---
# Geavanceerde concepten en multiaxiale spanningstoestanden
Dit hoofdstuk behandelt meer geavanceerde aspecten van plasticiteit, waaronder draadtrekken, het von Mises vloeicriterium voor multiaxiale spanningstoestanden, plastische anisotropie en de taaiheid van materialen [45](#page=45) [46](#page=46) [51](#page=51) [52](#page=52).
### 4.1 Draadtrekken
Draadtrekken is een productieproces waarbij metaal wordt getrokken door een matrijs om de diameter ervan te verkleinen en een uniforme vorm te verkrijgen. Tijdens dit proces ondergaat de draad een initiële uniaxiale spanningstoestand die verandert in een heterogene, multiaxiale spanningstoestand naarmate de draad de matrijs passeert. De maximale diameterreductie per trekstap wordt bepaald door de treksterkte van de koudvervormde draad [45](#page=45).
### 4.2 Het von Mises vloeicriterium
Het von Mises vloeicriterium is cruciaal voor het begrijpen van plastische vervorming onder multiaxiale spanningstoestanden. Het stelt dat plasticiteit optreedt wanneer een equivalente spanning, de von Mises spanning, een kritieke waarde overschrijdt [46](#page=46) [48](#page=48).
#### 4.2.1 Formulering van de von Mises spanning
De equivalente von Mises spanning ($\sigma_e$) wordt berekend met de volgende formule, die rekening houdt met zowel normale spanningen ($\sigma_{ii}$) als schuifspanningen ($\sigma_{ij}$) [48](#page=48):
$$ \sigma_e = \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{(\sigma_{11} - \sigma_{22})^2 + (\sigma_{22} - \sigma_{33})^2 + (\sigma_{33} - \sigma_{11})^2 + 6(\sigma_{12}^2 + \sigma_{23}^2 + \sigma_{31}^2)} $$
Hierbij zijn $\sigma_{11}, \sigma_{22}, \sigma_{33}$ de hoofdspanningen en $\sigma_{12}, \sigma_{23}, \sigma_{31}$ de schuifspanningen [48](#page=48).
#### 4.2.2 Toepassing in een trektest
In een eenvoudige trektest, waarbij de spanning primair axiaal is, kan de von Mises spanning worden geëvalueerd.
* **Stap 1: Uniaxiale trekspanning.** In een zuivere trektest, zonder schuifspanningen, geldt: $\sigma_{11} = \sigma_{zz}$ en $\sigma_{22} = \sigma_{33} = 0$. De equivalente spanning vereenvoudigt dan tot de werkelijke spanning in de trektest:
$$ \sigma_e = \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{(\sigma_{zz} - 0)^2 + (0 - 0)^2 + (0 - \sigma_{zz})^2 + 6(0 + 0 + 0)} = \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{2\sigma_{zz}^2} = \sigma_{zz} $$
De equivalente spanning in een trektest is dus de (ware) spanning in de trektest [49](#page=49).
* **Stap 2: Toevoeging van schuifspanning.** Wanneer er naast axiale spanning ook schuifspanningen optreden, bijvoorbeeld in een complexere belastingstoestand of in een deformatieproces zoals draadtrekken, wordt de equivalente spanning groter. Als we bijvoorbeeld een schuifspanning $\tau_{z\theta}$ toevoegen aan de axiale spanning $\sigma_{zz}$, wordt de equivalente spanning:
$$ \sigma_e = \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{(\sigma_{zz} - 0)^2 + (0 - 0)^2 + (0 - \sigma_{zz})^2 + 6(0 + \tau_{z\theta}^2 + 0)} = \sqrt{\sigma_{zz}^2 + 3\tau_{z\theta}^2} $$
In dit geval is de equivalente spanning groter dan $\sigma_{zz}$ ($\sigma_e > \sigma_{zz}$), wat aangeeft dat de plastische vervorming toeneemt [50](#page=50).
> **Tip:** Het von Mises criterium is een continuümplasticiteitsmodel dat materiaalgedrag bij complexe spanningsverdelingen voorspelt.
### 4.3 Plastische anisotropie
Plastische anisotropie verwijst naar het fenomeen waarbij de plastische vervormingseigenschappen van een materiaal afhankelijk zijn van de richting waarin de belasting wordt aangebracht. Dit kan optreden door het productieproces, zoals walsen of extrusie, die leiden tot preferentiële oriëntatie van korrels in het materiaal [51](#page=51).
### 4.4 Taaiheid
De taaiheid van een materiaal is een maat voor zijn vermogen om energie te absorberen, met name in het plastische gebied, voordat breuk optreedt. Het is een combinatie van zowel de sterkte (weerstand tegen plastische vervorming) als de ductiliteit (het vermogen om aanzienlijke plastische vervorming te ondergaan) [52](#page=52).
De arbeid per volume-eenheid die een materiaal kan opnemen zonder te breken, wordt weergegeven door het oppervlak onder de trekkromme in een spanning-rekdiagram. Voor ductiele metalen kan de taaiheid ($W$) bij benadering worden geschat met de formule [52](#page=52):
$$ W = \frac{\sigma_{0.2} + \sigma_{ts}}{2} \varepsilon_f $$
waarbij $\sigma_{0.2}$ de vloeigrens (spanning bij 0.2% plastische rek), $\sigma_{ts}$ de treksterkte en $\varepsilon_f$ de breukrek is [52](#page=52).
> **Tip:** Taaiheid is een essentiële eigenschap voor toepassingen waarbij materialen schokbelastingen moeten weerstaan of energie moeten absorberen, zoals in auto-onderdelen of constructies [52](#page=52).
---
# Hardheid en materiaalselectie
Dit hoofdstuk behandelt de methoden voor het meten van hardheid en de relatie met trektesten, evenals de hardheid van verschillende materiaaltypes en hun rol in materiaalselectie.
### 5.1 Hardheid als materiaaleigenschap
Hardheid wordt gedefinieerd als de weerstand tegen lokale indrukking wat zich vertaalt naar weerstand tegen plastische vervorming. Het is een belangrijke eigenschap voor materiaalselectie bij mechanisch ontwerp en dient voor kwaliteitscontrole. Hardheidsmetingen worden als "niet-destructief" beschouwd, zijn goedkoop, snel en gestandaardiseerd. De meting is echter afhankelijk van het indruklichaam, de toegepaste kracht en de duur van de belasting [59](#page=59).
> **Tip:** Hardheid wordt vaak gemeten op de plastische zone rond de indrukking. Belangrijke aandachtspunten bij het uitvoeren van hardheidsmetingen zijn de afstand tussen indrukkingen, de dikte van het testvoorwerp en de afstand tot de rand van het materiaal [60](#page=60) [61](#page=61).
### 5.2 Methoden voor hardheidsmeting
Er zijn verschillende gestandaardiseerde methoden voor het meten van hardheid, elk met specifieke indruklichamen, krachten en meetprincipes.
#### 5.2.1 Brinell hardheid (HB)
De Brinell-methode maakt gebruik van een kogel uit gehard staal met een diameter van 2,5 mm, 5 mm of 10 mm. De hardheid wordt bepaald aan de hand van de diameter van de indrukking ($d$) onder een specifieke belasting ($F$). De formule voor de Brinell hardheid is [62](#page=62):
$$HB = \frac{2F}{\pi D (D - \sqrt{D^2 - d^2})}$$
Hierbij staat $F$ voor de belasting in kg, $D$ voor de diameter van de kogel in mm, en $d$ voor de diameter van de indrukking in mm. De aanduiding is bijvoorbeeld $x$ HB 10/3000/30, wat staat voor een 10 mm kogel, 3000 kgf belasting en 30 seconden tijdsduur. De verhouding tussen de indrukkingdiameter en de kogeldiameter moet voldoen aan $0.2D < d < 0.6D$ [62](#page=62).
#### 5.2.2 Vickers hardheid (HV)
De Vickers-methode gebruikt een vierkante piramide van diamant als indruklichaam. De kracht is zelf te kiezen en de hardheid wordt gemeten aan de hand van de gemiddelde diagonaal ($d$) van de indrukking. De formule voor de Vickers hardheid is [63](#page=63):
$$HV = \frac{2 P \sin(\theta)}{d^2}$$
Hierbij is $P$ de belasting in kg en $d$ de gemiddelde diagonaal van de indrukking. $\theta$ is de hoek van de piramide, die constant is voor de Vickers indentor. De aanduiding is bijvoorbeeld $x$ HV 30, wat duidt op een belasting van 30 kgf. Vickers hardheid wordt ook vaak aangeduid als microhardheid [63](#page=63) [75](#page=75).
#### 5.2.3 Rockwell hardheid (HR)
De Rockwell-methode onderscheidt zich door een directe aflezing van de hardheid. Deze methode maakt gebruik van een voorlast en een hoofdlast, waarbij de meting gebaseerd is op de permanente indrukking ($e$) van het indruklichaam [66](#page=66).
* **Rockwell HRC:** Deze schaal wordt gebruikt voor hardere materialen en de formule is:
$HRC = 100 - e$ [67](#page=67).
Hierbij staat $e$ voor de blijvende indrukking in eenheden van 0.002 mm. De range voor HRC is typisch 20 tot 70 [67](#page=67).
* **Rockwell HRB:** Deze schaal is geschikt voor zachtere materialen en de formule is:
$HRB = 130 - e$ [67](#page=67).
Indien de HRC waarde lager is dan 20, wordt HRB gebruikt. De range voor HRB is typisch 30 tot 100 [67](#page=67).
> **Tip:** De Rockwell-methode is sneller dan Brinell en Vickers, omdat de hardheidswaarde direct afleesbaar is [66](#page=66).
### 5.3 Verband tussen hardheid en trektest
Zowel hardheidsmetingen als trektesten activeren plasticiteit in het materiaal. Er bestaat een correlatie tussen de resultaten van deze twee testen, wat nuttig kan zijn wanneer er onvoldoende testmateriaal beschikbaar is voor een trektest, of wanneer een bestaand component onderzocht moet worden [68](#page=68).
De omzetting van hardheidswaarden naar treksterkte is echter complex en wordt beïnvloed door factoren zoals rekversteviging, plastische anisotropie en wrijving, vanwege de ingewikkelde spanningsverdeling onder het indruklichaam [69](#page=69).
Er zijn methoden zoals Profilometry-based Indentation Plastometry (PIP) die een meer gedetailleerde analyse mogelijk maken door het gedrag van het materiaal tijdens indrukking te simuleren en te relateren aan de plastische rek [70](#page=70).
Empirische correlaties kunnen ook worden gebruikt. Een voorbeeld is de conversie van Brinell hardheid (HB) naar treksterkte ($\sigma_{ts}$) in MPa:
$\sigma_{ts} \text{ MPa} = 3.4 \times BH$ [71](#page=71).
> **Tip:** Houd er rekening mee dat deze omzettingen vaak empirisch zijn en sterk afhankelijk van het specifieke materiaal en de testomstandigheden.
### 5.4 Hardheid van verschillende materiaaltypes
De hardheid varieert aanzienlijk tussen verschillende materiaalklassen.
#### 5.4.1 Hardheid van metalen
Metalen vertonen een breed scala aan hardheidswaarden. Zacht staal en non-ferrometalen vallen vaak in de lagere Rockwell-bereiken (bijvoorbeeld HRB). Harde metalen en gehard staal kunnen hogere HRC-waarden vertonen. Vickers en Brinell worden ook veel gebruikt voor metalen (#page=62, 63, 75) [62](#page=62) [63](#page=63) [75](#page=75) [76](#page=76).
#### 5.4.2 Hardheid van polymeren
Voor polymeren worden specifieke methoden gebruikt:
* **Shore durometer:** Deze methode meet de weerstand tegen elastische vervorming door een naald die een onmiddellijke vervorming veroorzaakt [73](#page=73).
* **Rockwell R of M schalen:** Deze worden gebruikt voor hardere kunststoffen om hun weerstand tegen plastische vervorming te meten [74](#page=74).
#### 5.4.3 Hardheid van keramische materialen
Keramische materialen zijn doorgaans zeer hard en vereisen specifieke meettechnieken:
* **Vickers hardheid (microhardheid):** Wordt veel gebruikt vanwege de mogelijkheid tot nauwkeurige metingen op kleine oppervlakken [75](#page=75).
* **Knoop hardheid (microhardheid):** Een andere methode voor microhardheidsmetingen op keramiek [75](#page=75).
> **Tip:** Het overzicht van hardheidsmetingen (Pagina 76) biedt een handig schema voor het selecteren van de juiste hardheidsschaal op basis van het materiaaltype en de verwachte hardheid, variërend van zacht staal tot keramische materialen [76](#page=76).
### 5.5 Materiaalselectie
Hardheid is een cruciale factor bij materiaalselectie, omdat het direct gerelateerd is aan de slijtageweerstand en de weerstand tegen plastische vervorming. Door de hardheid te kennen, kunnen ingenieurs materialen kiezen die bestand zijn tegen de verwachte belastingen en omgevingscondities, wat de levensduur en betrouwbaarheid van componenten waarborgt (#page=18, 53). Verschillende hardheidstesten bieden flexibiliteit in materiaalkarakterisering, van algemene tests op metalen tot gespecialiseerde microhardheidstests op de hardste materialen (#page=75, 76). De relatie met trektesten maakt het mogelijk om de mechanische eigenschappen verder te kwantificeren, zelfs met beperkte testmogelijkheden (#page=68, 69, 70, 71) [18](#page=18) [53](#page=53) [59](#page=59) [68](#page=68) [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [75](#page=75) [76](#page=76).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Plastische vervorming | Vervorming die permanent is en niet verdwijnt wanneer de aangebrachte belasting wordt verwijderd. Dit gebeurt wanneer de aangebrachte spanning de vloeigrens van het materiaal overschrijdt. |
| Trekproef | Een experimentele methode om de mechanische eigenschappen van een materiaal te bepalen door het onder een trekbelasting te plaatsen totdat het breekt. Hieruit worden parameters zoals de vloeigrens en treksterkte verkregen. |
| Technische rek | De totale verlenging van een materiaal gedeeld door de oorspronkelijke lengte. Het is een maat voor de vervorming die wordt gemeten tijdens een trekproef, voordat de materiaalgeometrie significant verandert. |
| Technische spanning | De aangebrachte kracht gedeeld door de oorspronkelijke dwarsdoorsnede-oppervlakte van het materiaal. Dit is een veelgebruikte maat voor de belasting in een materiaal tijdens mechanische tests. |
| Vloeigrens | De spanning waarbij een materiaal begint plastisch te vervormen. Boven deze spanning zal het materiaal blijvend vervormen wanneer de belasting wordt verwijderd. |
| Bros materiaal | Een materiaal dat breekt met weinig of geen plastische vervorming. Het vertoont een scherpe breuk zonder significante rek. |
| Ductiel materiaal | Een materiaal dat aanzienlijke plastische vervorming kan ondergaan voordat het breekt. Dit vermogen om te rekken wordt vaak geassocieerd met taaiheid. |
| Thermoplasten | Polymeren die door verhitting zacht worden en door afkoeling weer hard. Dit proces is omkeerbaar, wat recycling mogelijk maakt. |
| Glasovergangstemperatuur ($T_g$) | De temperatuur waarbij een amorfe vaste stof, zoals een thermoplastisch polymeer, overgaat van een harde, glasachtige toestand naar een meer rubberachtige of flexibele toestand. |
| Insnoering (Necking) | Een lokale reductie in de dwarsdoorsnede-oppervlakte van een materiaal tijdens een trekproef, die optreedt nadat de maximale trekkracht is bereikt. Dit is kenmerkend voor ductiele materialen. |
| Ware spanning | De aangebrachte kracht gedeeld door de *actuele* dwarsdoorsnede-oppervlakte van het materiaal tijdens de vervorming. Dit geeft een nauwkeuriger beeld van de spanning in het materiaal, vooral bij grote vervormingen. |
| Ware rek | De natuurlijke logaritme van de verhouding van de actuele lengte tot de oorspronkelijke lengte van het materiaal. Het is de integrale van de infinitesimale rekincrementen. |
| Verstevigingswet (Strain hardening) | Het fenomeen waarbij een materiaal sterker en harder wordt naarmate het plastisch wordt vervormd. De weerstand tegen verdere plastische vervorming neemt toe. |
| Von Mises vloeicriterium | Een criterium dat bepaalt wanneer een materiaal plastisch begint te vervormen onder een multiaxiale spanningstoestand. Het stelt dat plastische vervorming optreedt wanneer de equivalente Von Mises-spanning een bepaalde drempelwaarde bereikt. |
| Equivalente spanning | Een enkele waarde die de effectieve spanning in een materiaal onder multiaxiale belastingen vertegenwoordigt, vaak berekend met criteria zoals dat van Von Mises, om te vergelijken met de vloeigrens onder uniaxiale belasting. |
| Taaiheid | Het vermogen van een materiaal om energie te absorberen in het elastische en plastische gebied voordat het breekt. Het is een combinatie van sterkte en ductiliteit. |
| Hardheid | De weerstand van een materiaal tegen lokale plastische vervorming, zoals indrukking, krassen of slijtage. Het is een maat voor de weerstand tegen oppervlakkige penetratie. |
| Brinell hardheid (HB) | Een hardheidsmeting waarbij een hardmetalen kogel onder een specifieke belasting in het materiaal wordt gedrukt. De hardheid wordt berekend op basis van de diameter van de resulterende indrukking. |
| Vickers hardheid (HV) | Een hardheidsmeting die een vierkante diamantpiramide als indruklichaam gebruikt. De hardheid wordt berekend op basis van de diagonale lengte van de indrukking, en kan worden gebruikt voor een breed scala aan materialen. |
| Rockwell hardheid (HR) | Een hardheidsmetingssysteem dat een conische of bolvormige indruklichaam gebruikt, waarbij de hardheid wordt bepaald door de diepte van de permanente indrukking na het verwijderen van de hoofdlast. Er zijn verschillende schalen (bijv. HRC, HRB). |
| Plastische anisotropie | Het verschijnsel waarbij de plastische vervormingseigenschappen van een materiaal afhankelijk zijn van de richting waarin de belasting wordt aangebracht. Materialen kunnen in de ene richting makkelijker plastisch vervormen dan in de andere. |
Cover
SGDMat_12_G.pdf
Summary
# Sterkteontwikkeling in metalen en keramische materialen
Dit onderwerp onderzoekt de mechanismen die de sterkte van metalen en keramische materialen beïnvloeden, met de nadruk op obstructies voor dislocatiebeweging in metalen en de productie van technische keramische producten.
### 1.1 Sterkteontwikkeling in metalen
De sterkte van metalen wordt in hoge mate beïnvloed door de obstructies voor dislocatiebeweging. Dislocaties zijn lineaire defecten in het kristalrooster van metalen, en hun beweging is essentieel voor plastische deformatie. Door de beweging van deze dislocaties te belemmeren, kan de sterkte van het metaal worden verhoogd. Verschillende methoden worden gebruikt om deze obstructies te creëren [20](#page=20) [3](#page=3).
#### 1.1.1 Methoden voor het creëren van obstructies voor dislocatiebeweging
Er zijn diverse technieken om de beweging van dislocaties in metalen te bemoeilijken en zo de sterkte te verhogen. Deze methoden omvatten [3](#page=3) [4](#page=4):
* **Legering:** Het toevoegen van andere elementen aan het basismetaal kan leiden tot roostervervorming en de introductie van puntdefecten of interstitiële/substitutiële atomen die de dislocatieweeg blokkeren [3](#page=3).
* **Korrelverfijning:** Het verkleinen van de korrelgrootte in een metaal leidt tot meer korrelgrenzen. Korrelgrenzen fungeren als effectieve barrières voor dislocatiebeweging, omdat dislocaties bij het passeren van een korrelgrens van oriëntatie moeten veranderen, wat energie vereist [3](#page=3).
* **Precipitatieharden:** Dit proces, ook bekend als precipitatieversteviging, houdt in dat kleine, harde deeltjes (precipitaten) binnen het metaalrooster worden gevormd. Deze precipitaten dienen als fysieke obstakels die dislocaties niet gemakkelijk kunnen snijden of omzeilen. Dit wordt vaak bereikt door legeringen te ontwerpen die, bij een specifieke warmtebehandeling, precipitaten vormen [3](#page=3).
* **Roosteromzetting (afschrikharden):** In sommige legeringen kan een warmtebehandeling gevolgd door snel afkoelen (afschrikken) resulteren in een faseovergang die een zeer fijne, sterkteverhogende microstructuur produceert. Dit kan bijvoorbeeld een martensietstructuur zijn in staalsoorten, die inherent hard en bros is vanwege de ingesloten koolstofatomen die de dislocatiebeweging enorm bemoeilijken [3](#page=3).
#### 1.1.2 Vraagstelling met betrekking tot metaalsterkte
De centrale vraag bij het begrijpen van metaalsterkte is hoe deze verschillende obstructies in het kristalrooster geïntroduceerd kunnen worden [4](#page=4).
### 1.2 Sterkteontwikkeling in keramische materialen
Voor technische keramische materialen is het ontwikkelen van een sterke en stijve kristallijne structuur cruciaal voor hun prestaties. In tegenstelling tot metalen, waar dislocatiebeweging de primaire vorm van plastische deformatie is, zijn keramische materialen vaak bros. Hun sterkte wordt sterk bepaald door de aanwezigheid van defecten, met name porositeit en scheurvorming [6](#page=6) [7](#page=7).
#### 1.2.1 Productie van technische keramische producten
Het creëren van sterke en stijve kristallijne structuren is de kern van het productieproces voor technische keramische producten. Dit vereist controle over de kristallisatie en de minimalisatie van defecten zoals poriën, die als spanningsconcentratoren kunnen fungeren en falen kunnen induceren [7](#page=7).
#### 1.2.2 Overeenkomst met metalen
Een fundamentele gedeelde factor is de focus op kristallijne materialen, zowel in metalen als in keramiek, en de ontwikkeling van hun sterkte. Hoewel de specifieke mechanismen verschillen, is het doel om de weerstand tegen deformatie en breuk te verhogen [20](#page=20).
---
# Diffusie in vaste stoffen
Diffusie in vaste stoffen is het proces van materiaaltransport waarbij atomen, moleculen of ionen zich door een vast materiaal verplaatsen, gedreven door concentratieverschillen en het streven naar een lagere inwendige energie [22](#page=22).
### 2.1 Diffusiemechanismen in vaste stoffen
In tegenstelling tot vloeistoffen, waar diffusie vlot verloopt door de hoge beweeglijkheid van moleculen, lage viscositeit en zwakke bindingen is diffusie in vaste stoffen een complexer proces. Dit komt doordat de atoomafstand klein is en er sterke bindingen tussen de atomen bestaan. Diffusie in perfecte roosters is moeilijk, maar wordt vergemakkelijkt via roosterfouten. Er zijn drie belangrijke diffusiemechanismen in vaste stoffen [23](#page=23) [24](#page=24):
#### 2.1.1 Vacaturediffusie
Bij vacaturediffusie verplaatst een atoom zich naar een naburige lege positie in het rooster (een vacature). Het aantal vacatures ($N_v$) in een rooster is sterk temperatuursafhankelijk en kan worden beschreven met de formule [24](#page=24):
$$N_v = N_e^{-\frac{E_v}{k_B T}}$$
waarbij $N_e$ het totale aantal roosterplaatsen is, $E_v$ de bindingsenergie van een vacature, $k_B$ de Boltzmannconstante en $T$ de temperatuur. Autodiffusie treedt op wanneer eigen atomen zich via vacatures verplaatsen, terwijl interdiffusie plaatsvindt wanneer vreemde atomen zich via vacatures verplaatsen [25](#page=25).
#### 2.1.2 Interstitiële diffusie
Interstitiële diffusie vindt plaats wanneer kleinere atomen, zoals koolstof (C), stikstof (N), zuurstof (O) of waterstof (H), zich verplaatsen naar de interstitiale posities tussen de hoofd-roosteratomen. Deze atomen zijn typisch klein en kunnen zich relatief vlot bewegen door de trillingen van de omringende atomen [24](#page=24) [26](#page=26).
#### 2.1.3 Korrelgrensdiffusie
Korrelgrenzen, de interfaces tussen verschillende kristallen in een polykristallijn materiaal, bieden minder goede stapeling van atomen dan het kristalrooster zelf. Dit leidt tot een hogere atoommobiliteit en dus snellere diffusie langs de korrelgrenzen [24](#page=24) [27](#page=27).
### 2.2 Wetten van Fick
De wetten van Fick beschrijven de kwantitatieve aspecten van diffusie.
#### 2.2.1 Eerste wet van Fick
De eerste wet van Fick relateert de diffusieflux ($J$) aan de concentratiegradiënt. De diffusieflux is gedefinieerd als de hoeveelheid materie ($M$) die zich verplaatst in een bepaalde tijd ($t$) door een oppervlakte ($A$). In een stationaire toestand, waarbij de flux constant is in de tijd, wordt de eerste wet van Fick als volgt uitgedrukt [29](#page=29):
$$J = -\mathcal{D} \frac{dC}{dx}$$
Hierbij is $J$ de diffusieflux, $\mathcal{D}$ de diffusiecoëfficiënt, en $\frac{dC}{dx}$ de concentratiegradiënt (het verschil in concentratie $\Delta C$ over een afstand $\Delta x$). De negatieve tekens indiceert dat diffusie plaatsvindt van een hoge concentratie naar een lage concentratie [29](#page=29).
#### 2.2.2 Tweede wet van Fick
De tweede wet van Fick beschrijft diffusie in een niet-stationaire toestand, waarbij de lokale concentraties, concentratiegradiënten en dus de flux in zowel plaats als tijd variëren. Deze wet wordt wiskundig uitgedrukt als [30](#page=30):
$$\frac{\partial C}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x} \left( -\mathcal{D} \frac{\partial C}{\partial x} \right)$$
Indien de diffusiecoëfficiënt $\mathcal{D}$ constant is, vereenvoudigt dit tot:
$$\frac{\partial C}{\partial t} = \mathcal{D} \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$$
waarbij $\frac{\partial C}{\partial t}$ de tijdsafgeleide van de concentratie is en $\frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$ de tweede ruimtelijke afgeleide van de concentratie [30](#page=30).
### 2.3 Invloedsfactoren op diffusie
Verschillende factoren beïnvloeden de diffusiesnelheid in vaste stoffen.
#### 2.3.1 Temperatuur
Diffusie is sterk temperatuursafhankelijk. Hogere temperaturen verhogen de atoomvibraties en de energiereserves van atomen, waardoor het makkelijker wordt om roosterfouten te creëren en atomen zich te verplaatsen. De diffusiecoëfficiënt ($\mathcal{D}$) als functie van temperatuur kan worden beschreven met de Arrheniusvergelijking [31](#page=31):
$$\mathcal{D} = \mathcal{D}_0 e^{-\frac{E_d}{RT}}$$
waarbij $\mathcal{D}_0$ de bovengrens voor de diffusieconstante is, $E_d$ de activatie-energie voor diffusie, $R$ de universele gasconstante en $T$ de absolute temperatuur is [31](#page=31).
#### 2.3.2 Atoomgrootte
De relatieve atoomgrootte speelt een cruciale rol in de diffusiesnelheid. Kleinere atomen, zoals koolstof (C), kunnen zich sneller verplaatsen via interstitiële diffusie door de relatief grote ruimtes tussen de roosteratomen van het gastheer-materiaal. Grotere atomen, zoals een ijzeratoom in ijzer, moeten zich verplaatsen via vacature- of korrelgrensdiffusie, wat langzamer is. Een voorbeeld hiervan is dat koolstofatomen veel sneller diffunderen in ferritisch ijzer ($\alpha$-Fe) dan ijzeratomen zelf [32](#page=32).
#### 2.3.3 Roosterdichtheid
De dichtheid van het kristalrooster beïnvloedt ook de diffusiesnelheid. Materialen met een minder dichte pakking, zoals ferritisch ijzer ($\alpha$-Fe), hebben grotere interstitiale ruimtes en meer defecten vergeleken met dichter gepakte structuren zoals austenitisch ijzer ($\gamma$-Fe). Dit resulteert in snellere diffusie in minder dichte structuren. Koolstof diffundeert bijvoorbeeld sneller in $\alpha$-Fe dan in $\gamma$-Fe [33](#page=33).
> **Tip:** Begrip van deze mechanismen en invloedsfactoren is essentieel voor het ontwerpen van materialen met gewenste eigenschappen, zoals de sterkteontwikkeling tijdens sinteren of de duurzaamheid van componenten in diverse toepassingen [20](#page=20) [37](#page=37).
> **Voorbeeld:** Het harden van staal, een veelgebruikte technische toepassing, is gebaseerd op diffusieprocessen waarbij koolstofatomen zich in het ijzerrooster verplaatsen en de mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden [37](#page=37).
---
# Thermodynamische principes en hun invloed op materiaalgedrag
Dit onderwerp verkent de rol van thermodynamica, zoals inwendige energie en Gibbs vrije energie, in het verklaren van materiaalgedrag en het bereiken van thermodynamisch evenwicht, inclusief diffusie en korrelgroei.
### 3.1 Inwendige energie
De inwendige energie ($E$) van een systeem is een maat voor de totale energie die in het systeem aanwezig is. Diffusie wordt beschouwd als een fundamenteel mechanisme waarmee een systeem zijn inwendige energie verlaagt en zo evolueert naar thermodynamisch evenwicht [35](#page=35).
> **Tip:** De activatie-energie ($\Delta E_d$) vertegenwoordigt de energie die nodig is om van een hogere, instabiele energietoestand naar een lagere, meer stabiele energietoestand te gaan [35](#page=35).
### 3.2 Gibbs vrije energie
Thermodynamisch evenwicht wordt niet alleen gekarakteriseerd door een minimale energie, maar ook door een maximale wanorde. De Gibbs vrije energie ($G$) is de thermodynamische potentiaal die de drijvende kracht achter veel natuurlijke processen beschrijft, inclusief de overgang naar evenwicht [36](#page=36).
De Gibbs vrije energie wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking:
$$G = H - TS$$
waarin:
* $G$ de Gibbs vrije energie is [36](#page=36).
* $H$ de enthalpie is, die bij vaste stoffen ongeveer gelijk is aan de inwendige energie [36](#page=36).
* $T$ de absolute temperatuur in Kelvin is [36](#page=36).
* $S$ de entropie is, die de mate van wanorde in het systeem aangeeft [36](#page=36).
Het thermodynamisch evenwicht wordt bereikt wanneer de Gibbs vrije energie minimaal is (min(G)) [36](#page=36).
### 3.3 Diffusie en materialen
Diffusie is een essentieel proces dat de overgang naar thermodynamisch evenwicht bewerkstelligt door energieverlaging. Dit principe is met name relevant voor materialen zoals metalen en technische keramische materialen. Het begrijpen van diffusie is cruciaal voor het voorspellen en beheersen van materiaalgedrag en eigenschappen [35](#page=35) [37](#page=37).
---
# Rekristallisatie en korrelgroei in metalen
Dit onderwerp behandelt de mechanismen achter korrelgroei en rekristallisatie in metalen, waarbij verschillende subtypes van rekristallisatie, de invloed van temperatuur, en de relatie met mechanische processen zoals koud- en warmvervorming worden verkend.
### 4.1 Korrelgroei
Korrelgroei is een proces waarbij kristallen binnen dezelfde kristallijne structuur van grootte veranderen, voornamelijk gedreven door de reductie van totale energie. Dit proces kan worden gevisualiseerd met een analogie van zeepbellen. In een zeepbelmodel is de druk in een kleine bel groter dan in een grote bel vanwege de hogere kromming. Deze drukgradiënt zorgt ervoor dat lucht van kleinere naar grotere bellen diffundeert, waardoor de grotere bellen groeien ten koste van de kleinere, met als doel de totale oppervlakte-energie te minimaliseren [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40).
De relatie tussen druk ($p$) en oppervlaktespanning ($\gamma$) in een zeepbel wordt beschreven door $p = \frac{4\gamma}{r}$, waarbij $r$ de straal van de bel is. Een hogere druk in kleinere bellen drijft de diffusie van lucht [40](#page=40) [41](#page=41).
In metalen speelt de korrelgrens een vergelijkbare rol als de wand van een zeepbel. Een korrelgrens is een gebied met verhoogde energie, omdat atomen daar gemiddeld minder buren hebben en zich in een hogere energietoestand bevinden dan atomen binnen een korrel. Bij verhoogde temperaturen treedt er diffusie over de korrelgrens op, waarbij atomen "springen" naar aangrenzende korrels. Dit resulteert in de groei van grotere korrels ten koste van kleinere korrels, wat leidt tot een verlaging van de totale korrelgrensenergie [42](#page=42) [45](#page=45).
Het proces van korrelgroei is sterk temperatuurafhankelijk. De temperatuur waarbij significante korrelgroei optreedt, is vaak een fractie van de absolute smelttemperatuur ($T_{smelt}$), bijvoorbeeld $T = 0.85 T_{smelt}$, $T = 0.75 T_{smelt}$, of $T = 0.65 T_{smelt}$. In tegenstelling tot het zeepbelmodel, vereist korrelgroei in metalen echter activatie-energie voor de diffusie van atomen [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45).
#### 4.1.1 Factoren die korrelgroei beïnvloeden
De snelheid van korrelgroei wordt beïnvloed door temperatuur en de aanwezigheid van onzuiverheden of andere fasen. Hogere temperaturen versnellen de diffusie en dus de korrelgroei. De aanwezigheid van een vreemde kristallijne fase, zoals cementiet ($Fe_3C$) in staal, kan de rekristallisatie en groei van de ferrietkorrels belemmeren [43](#page=43) [44](#page=44) [54](#page=54).
### 4.2 Rekristallisatie van een koudvervormd metaal
Rekristallisatie is het proces waarbij nieuwe, dislocatievrije korrels ontstaan in een koudvervormd metaal wanneer dit wordt opgewarmd boven een specifieke temperatuur, de rekristallisatietemperatuur ($T_R$) [46](#page=46).
**Processtappen van rekristallisatie:**
1. **Koudvervorming:** Dit leidt tot een hoge dislocatiedichtheid in het metaal, waardoor het materiaal een toestand van hoge energie bereikt [46](#page=46).
2. **Opwarming:** Wanneer het materiaal wordt verhit tot boven de rekristallisatietemperatuur ($T_R \approx 0.5 T_{smelt}$) beginnen nieuwe korrels te kiemen, vaak in regio's met een hoge dislocatiedichtheid, waar de dislocaties fungeren als kiemen [46](#page=46) [47](#page=47).
3. **Groei van nieuwe korrels:** Deze nieuwe korrels groeien ten koste van de oorspronkelijke, koudvervormde korrels. De nieuw gevormde korrels bevatten nagenoeg geen dislocaties [46](#page=46).
**Belangrijke aandachtspunten bij rekristallisatie van koudvervormde metalen:**
* **Snelheid van opwarmen:** Een snelle opwarming is cruciaal om herstel (het verdwijnen van dislocaties bij verhoogde temperatuur vóór rekristallisatie) te vermijden [47](#page=47).
* **Korrelgroei:** Als de temperatuur significant hoger is dan $T_R$, zal er naast rekristallisatie ook korrelgroei optreden [47](#page=47).
* **Korrelverfijning:** Rekristallisatie kan worden gebruikt voor korrelverfijning als er voldoende kiemen gevormd worden [47](#page=47).
* **Mechanische eigenschappen:** De nieuw gevormde dislocatievrije korrels leiden tot een verlaagde vloeigrens en een verhoogde ductiliteit van het metaal [47](#page=47) [56](#page=56).
* **Definitie van koud- en warmvervorming:** Vervorming bij temperaturen lager dan $T_R$ wordt beschouwd als koudvervorming, terwijl vervorming bij temperaturen hoger dan $T_R$ warmvervorming is. Bijvoorbeeld, het vervormen van staal bij 400°C is koudvervorming, terwijl het vervormen van lood bij 20°C warmvervorming is [47](#page=47).
Koudvervorming verhoogt de interne energie van het materiaal significant, wat de drijvende kracht vormt voor rekristallisatie bij verhitting [51](#page=51) [52](#page=52).
#### 4.2.1 Rekristallisatie in multicomponent systemen (bv. staal)
In systemen met meerdere fasen, zoals staal (ferriet en cementiet), kan rekristallisatie complexer zijn. Cementietdeeltjes kunnen de beweging van korrelgrenzen belemmeren, wat rekristallisatie moeilijker maakt. De diffusie van koolstof door het ferriet kan ook een rol spelen [54](#page=54).
### 4.3 Rekristallisatie tijdens warmvervormen
Warmvervorming vindt plaats bij temperaturen boven de rekristallisatietemperatuur ($T > T_R$). Onder deze omstandigheden treedt rekristallisatie onmiddellijk op tijdens het vervormingsproces. Dit leidt tot continue vorming van nieuwe korrels, waardoor het materiaal tijdens de vervorming ductiel blijft en er geen aanzienlijke opbouw van dislocaties plaatsvindt [57](#page=57).
### 4.4 Allotrope transformatie
Allotrope transformatie in vaste stoffen is een proces waarbij een materiaal overgaat naar een andere kristalstructuur zonder chemische verandering. Dit gebeurt via diffusie en kan leiden tot korrelverfijning. Een voorbeeld is de transformatie van kubisch volume-gecentreerd (KVG) naar kubisch-rooster-gecentreerd (KRG) in ijzer-koolstofsystemen (FeC). Korrelgrens-diffusie speelt hierbij een belangrijke rol [58](#page=58).
#### 4.4.1 Vloeigebied bij staal
In staal is de diffusie van koolstof in ferriet (α-Fe) aanzienlijk, zelfs bij kamertemperatuur. Koolstofatomen kunnen zich accumuleren aan de voet van dislocaties, wat leidt tot een verminderde spanning in het rooster en een lagere energietoestand. Om vervorming te bewerkstelligen, moeten de dislocaties "losgetrokken" worden, wat de vloeigrens bepaalt [59](#page=59) [60](#page=60).
> **Tip:** Begrijp het verschil tussen korrelgroei (verandering in grootte binnen dezelfde structuur) en rekristallisatie (vorming van nieuwe, dislocatievrije korrels na koudvervorming en verhitting). Beide processen streven naar het verlagen van de totale energie van het materiaal.
> **Tip:** De rekristallisatietemperatuur ($T_R$) is een cruciale parameter die bepaalt of een proces als koud- of warmvervorming wordt geclassificeerd. Houd $T_R \approx 0.5 T_{smelt}$ als vuistregel aan.
> **Tip:** Let op de invloed van andere fasen, zoals cementiet in staal, op het rekristallisatieproces. Deze kunnen de korrelgroei belemmeren.
> **Tip:** De verbetering van ductiliteit na rekristallisatie is een belangrijk gevolg, wat het metaal beter verwerkbaar maakt.
---
# Poedergebaseerde processen en sinteren
Dit onderwerp behandelt diverse processen die starten met poeders om materialen te vormen, variërend van traditionele methoden zoals betonproductie en bakken tot geavanceerde technieken zoals Hot Isostatic Pressing (HIP) en Selective Laser Sintering (SLS).
### 5.1 Gietprocessen
Gietprocessen omvatten het gebruik van gesmolten legeringen die in een gewenste vorm worden gegoten om vervolgens te stollen tot een vaste stof met een kristalstructuur. Na het gieten kunnen bijkomende productieprocessen nodig zijn om het gewenste eindproduct te realiseren [5](#page=5).
### 5.2 Betonproductie
Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal en is voor 95% recyclebaar. De basisingrediënten van beton zijn granulaat, zand, cement en water [13](#page=13) [15](#page=15).
#### 5.2.1 Constructietechnieken met beton
Constructietechnologieën met beton omvatten:
* **Gewapend beton**: Hierbij wordt beton gecombineerd met betonijzer of wapeningsnetten [15](#page=15).
* **Voorgespannen beton**: Bij deze techniek wordt de wapening op spanning gezet, hetzij via pre- of posttensioning [15](#page=15).
#### 5.2.2 Voorbeeld: Mengregel voor gewapend beton
Een voorbeeld betreft het schatten van de stijfheid van een gewapend betonnen balk belast met 100 MPa. Gegeven zijn de elasticiteitsmoduli van beton ($E_{\text{beton}} = 40$ GPa) en staal ($E_{\text{staal}} = 210$ GPa) [16](#page=16).
De effectieve modulus van de balk wordt berekend met de formule:
$$E_{\text{balk}} = V_{\text{beton}}E_{\text{beton}} + V_{\text{staal}}E_{\text{staal}}$$
waarbij $V_{\text{beton}}$ de volumefractie van beton is en $V_{\text{staal}}$ de volumefractie van staal. Het geldt dat $V_{\text{beton}} + V_{\text{staal}} = 1$ [16](#page=16).
> **Voorbeeld:** Een gewapend betonnen balk met een dwarsdoorsnede (zie figuur op pagina 16) wordt belast met 100 MPa. Met de gegeven materiaaleigenschappen kan de effectieve stijfheid van de balk worden berekend.
### 5.3 Bakken van materialen
Bakken is een proces dat toegepast wordt op materialen zoals baksteen, waarbij het startpunt een poeder is [61](#page=61).
### 5.4 Sinteren van keramische poeders
Sinteren is een proces dat wordt toegepast op keramische poeders. Bij dit proces vermindert het oppervlak door diffusie, wat leidt tot een daling van de oppervlakte-energie. Druk speelt een cruciale rol door het contact tussen de deeltjes te verhogen en de porositeit te verminderen [61](#page=61) [62](#page=62).
#### 5.4.1 Hot Isostatic Pressing (HIP)
Hot Isostatic Pressing (HIP) is een geavanceerde poedergebaseerde techniek die wordt gebruikt voor het verdichten van materialen [63](#page=63).
#### 5.4.2 Selective Laser Sintering (SLS)
Selective Laser Sintering (SLS) is een additieve productietechniek waarbij selectief poedermateriaal wordt gesmolten en samengevoegd met behulp van een laser [64](#page=64).
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Legering | Een materiaal dat bestaat uit twee of meer elementen, waarvan ten minste één een metaal is, en dat wordt gevormd door het smelten en mengen van de componenten. Legeringen worden vaak gemaakt om de materiaaleigenschappen te verbeteren. |
| Korrelverfijning | Een proces dat de grootte van de kristalkorrels in een materiaal verkleint. Kleinere korrels leiden over het algemeen tot een hogere sterkte en taaiheid van het materiaal. |
| Precipitatieharden | Een warmtebehandelingstechniek waarbij microscopisch kleine deeltjes van een tweede fase (precipitaten) worden gevormd binnen de matrix van een metaallegering, wat leidt tot een aanzienlijke toename van de sterkte. |
| Roosteromzetting (Afschrikharden) | Een faseovergang in vaste stoffen waarbij de kristalstructuur verandert, vaak als gevolg van snelle afkoeling (afschrikken). Dit kan leiden tot de vorming van metastabiele structuren met verhoogde hardheid. |
| Gietprocessen | Productietechnieken waarbij gesmolten materiaal in een mal wordt gegoten, die vervolgens stolt om het gewenste product te vormen. Dit wordt veel gebruikt voor metalen en bepaalde keramische materialen. |
| Amorfe stof | Een vaste stof die geen langeafstand-ordening van atomen of moleculen vertoont, wat resulteert in een willekeurige structuur in plaats van een kristallijn rooster. Glas is een veelvoorkomend voorbeeld. |
| Dislocatie | Een lineair defect in een kristalrooster. De beweging van dislocaties onder invloed van spanning is de belangrijkste mechanisme achter plastische vervorming in kristallijne materialen. |
| Vacature | Een leeg roosterpunt in een kristalstructuur waar normaal gesproken een atoom aanwezig zou zijn. Vacatures zijn essentieel voor diffusieprocessen in vaste stoffen. |
| Interstitiële diffusie | Een diffusiemechanisme waarbij kleinere atomen zich verplaatsen door de lege interstitiële ruimtes tussen de grotere atomen van het kristalrooster. Dit mechanisme is relatief snel voor kleine atomen zoals koolstof. |
| Korrelgrens | Het grensvlak tussen twee aangrenzende kristalkorrels in een polykristallijn materiaal. Korrelgrenzen hebben een hogere energie en andere eigenschappen dan de bulk van de korrels, en zijn vaak belangrijke diffusiepaden. |
| Eerste wet van Fick | Beschrijft de diffusieflux (hoeveelheid materiaal dat per tijdseenheid door een oppervlak stroomt) als evenredig met de negatieve gradiënt van de concentratie. Geldt voor stationaire diffusie. |
| Tweede wet van Fick | Beschrijft hoe de concentratie van een diffusiesoort verandert in de tijd en in de ruimte. Deze wet is van toepassing op niet-stationaire diffusieprocessen waar concentraties variëren. |
| Activatie-energie | De minimale hoeveelheid energie die nodig is om een reactie of proces te starten. In de context van diffusie is dit de energie die nodig is om een atoom van zijn plaats te verplaatsen. |
| Gibbs vrije energie | Een thermodynamische potentiaal die de hoeveelheid arbeid aangeeft die door een systeem kan worden verricht bij constante temperatuur en druk. Systemen streven naar een minimale Gibbs vrije energie voor stabiliteit. |
| Rekristallisatie | Een proces waarbij nieuwe, vervormingsvrije kristalkorrels ontstaan in een koudvervormd materiaal wanneer dit wordt verwarmd boven een bepaalde temperatuur. Dit leidt tot een herstel van ductiliteit. |
| Korrelgroei | Het proces waarbij grotere kristalkorrels groeien ten koste van kleinere korrels door diffusie over korrelgrenzen. Dit gebeurt meestal om de totale korrelgrensenergie van het materiaal te minimaliseren. |
| Sinteren | Een warmtebehandeling waarbij poedervormige materialen worden samengevoegd tot een compacte, vaste massa door middel van diffusie, zonder dat het materiaal volledig smelt. |
| Hot Isostatic Pressing (HIP) | Een poederconsolidatietechniek waarbij een precursor in een drukvat wordt geplaatst en onder hoge temperatuur en isostatische druk wordt gebracht om defecten zoals poriën te elimineren en de dichtheid te verhogen. |
| Selective Laser Sintering (SLS) | Een additieve fabricagetechniek die een laser gebruikt om poedermateriaal selectief te versmelten, laag voor laag, om een driedimensionaal object te creëren. |