Materials Science

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

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

# Composite manufacturing processes and tooling This topic explores the essential elements of composite part manufacturing, emphasizing the crucial role of tooling in achieving desired shape and quality, and detailing the steps from layup to curing [4](#page=4) [5](#page=5). ### 1.1 The role of tooling The tool is paramount as it defines the final shape and surface quality of any composite part. Key requirements for tooling include [4](#page=4) [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7): * **Defining Geometry:** The tool dictates the precise dimensions and form of the composite part [10](#page=10) [4](#page=4) [5](#page=5). * **Surface Quality:** It determines the smoothness and finish of the part's surfaces [4](#page=4) [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7). * **Leak-Tightness:** Essential for achieving effective compaction of the composite material [10](#page=10) [4](#page=4). * **Process Condition Resistance:** The tool must withstand the temperature and pressure applied during manufacturing, which can be up to 177 degrees Celsius and 5 bar [10](#page=10). * **Durability:** It must be robust enough for the intended production volume, potentially for around 1000 parts [10](#page=10). * **Accuracy:** The required precision of the part's dimensions influences tool design [5](#page=5). * **Configuration:** Tools can be male (single-sided), female (single-sided), or matched-die (double-sided). Male molds are easier to process but risk bridging and result in a rough outer surface, while female molds yield a smooth outer surface. Matched-die molds provide two smooth surfaces [6](#page=6). * **Surface Finish:** Tools need to be machined, sanded, and polished to achieve the desired surface finish on the part [5](#page=5). * **Self-Support and Transport:** The tool's design should consider its stability and ease of movement [5](#page=5). * **Coefficient of Thermal Expansion (CTE) Match:** Ideally, the CTE of the tooling material should match that of the composite part to prevent distortion like springback and warping during temperature changes [5](#page=5) [8](#page=8) [9](#page=9). ### 1.2 Tooling materials Various materials are used for tooling, each with distinct advantages and disadvantages: #### 1.2.1 Steel tooling * **Pros:** High durability, weldability, repairability, and excellent vacuum integrity [11](#page=11). * **Cons:** Difficult to form into complex curves and shapes, high initial cost, significant mass, and high thermal mass which can affect curing cycles [11](#page=11). #### 1.2.2 INVAR tooling INVAR is a steel alloy containing 36-42% nickel [12](#page=12). * **Extra Pro:** CTE close to zero, making it ideal for both thermoset and thermoplastic composites [12](#page=12). * **Pros:** Retains steel's advantages (high durability, weldability, repairability, vacuum integrity) [12](#page=12). * **Cons:** High initial cost, limited availability, difficult to form complex shapes, and significant mass [12](#page=12). #### 1.2.3 Aluminium tooling * **Pros:** Low cost, easily machined into complex shapes, excellent thermal conductivity for efficient heat transfer, lower mass than steel, and easily repaired by welding and grinding [13](#page=13). * **Cons:** High CTE makes it unsuitable for highly compound curved parts. It's also not suitable for curing above 350 degrees Celsius and is less durable than steel [13](#page=13). #### 1.2.4 CFRP tooling Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) tooling. * **Pros:** CTE of the tooling can be matched to the product, low density for easy handling, and can be a low-cost tooling method [14](#page=14). * **Cons:** Temperature is restricted by the glass transition temperature (Tg) of the resin, it is less durable, and its production is labor-intensive [14](#page=14). > **Tip:** When selecting tooling material, consider the part's complexity, production volume, required accuracy, and the curing temperature and CTE of the composite material [13](#page=13) [14](#page=14) [5](#page=5). ### 1.3 Composite manufacturing steps The manufacturing process typically involves layup, vacuum bagging, and curing. #### 1.3.1 Layup This is the process of placing composite material plies onto the tool [15](#page=15) [17](#page=17). * **Tool Material:** Often a negative steel mold [15](#page=15). * **Assisted Placement:** Laser Projection Systems (LPS) can assist in accurately placing plies [15](#page=15) [17](#page=17). * **Quality Control (QC):** Crucial at this stage to ensure correct ply orientation and placement [15](#page=15) [17](#page=17). * **Debulking:** Compacting the laminate between plies to remove trapped air and consolidate the material is performed during layup [17](#page=17). > **Example:** In an aerospace application, precise placement of each carbon fiber ply on a steel mold is critical. A laser projection system guides the operator, and debulking steps are performed after every few plies to prevent voids [15](#page=15) [17](#page=17). #### 1.3.2 Vacuum bagging Once all plies are placed, vacuum bagging is applied to achieve compaction and prevent air entrapment [18](#page=18) [19](#page=19). * **Functions:** * **Compaction:** Applies external pressure to consolidate the laminate [18](#page=18). * **Air Prevention:** Seals the layup to prevent atmospheric air from entering the laminate [18](#page=18). * **Main Components:** * **Vacuum Bagging Film:** An airtight plastic sheet forming the outer seal [18](#page=18). * **Sealant Tape:** Creates a leak-proof seal between the vacuum bag and the tool [18](#page=18). * **Breather Layer:** A porous material that allows air to escape from the laminate and reach the vacuum port [18](#page=18). * **Release Film:** Prevents the laminate from bonding to the tool or the breather layer [18](#page=18). * **Peelply:** Acts as a barrier, allowing air to escape and providing a protective surface after cure, as well as an improved surface for subsequent bonding [18](#page=18). The bagging process involves placing all auxiliary layers, closing the vacuum bag securely, and performing a leak test [19](#page=19). > **Tip:** A thorough leak test before curing is essential. Leaks in the vacuum bag can lead to voids and poor part quality [19](#page=19). #### 1.3.3 Curing Curing is the process of consolidating and hardening the composite material, typically through heat and pressure [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22). * **Heating Methods:** * **Autoclave:** Uses temperature, vacuum, and external pressure to cure the part. This is a common method for high-performance composites [20](#page=20). * **Oven:** Used for "out-of-autoclave" curing, applying temperature and vacuum only [20](#page=20). * **Heated Mould:** Involves applying temperature, vacuum, and pressure directly to the mould [20](#page=20). * **Autoclave Cure Details:** * **Cure Cycle:** A specific sequence of temperature and pressure ramps and holds is followed [21](#page=21) [22](#page=22). * **Cure Monitoring:** Temperature is monitored using thermocouples [21](#page=21) [22](#page=22). * **Phases of Hardening:** The cure cycle typically involves a ramp-up phase, a hold phase (where hardening occurs), and a cool-down phase, with pressure and vacuum being controlled throughout [22](#page=22). #### 1.3.4 Release and finishing After curing, auxiliary materials are removed [23](#page=23) [24](#page=24). * **Waste Generation:** This stage often generates significant amounts of waste from consumable materials like release films and breather cloths [23](#page=23) [24](#page=24). * **Improvements:** Using reusable bags or double-sided molds can reduce waste [23](#page=23) [24](#page=24). * **Subsequent Steps:** The released part then undergoes machining (milling, drilling, waterjet, laser cutting), inspection, assembly, and final finishing [24](#page=24). > **Example:** After a part is cured in an autoclave, the vacuum bag, breather, release film, and peelply are carefully removed. This creates a significant amount of waste that manufacturers aim to reduce through process optimization or reusable tooling [23](#page=23) [24](#page=24). --- # Introduction to composite materials and their applications This section introduces the fundamental concepts of composite materials, outlining the lecture structure and key references, while briefly exploring design cases and end-of-life considerations. ### 1.1 Lecture overview and structure The lecture series on composites is structured into seven main topics [2](#page=2): 1. Introduction [2](#page=2). 2. Material properties [2](#page=2). 3. Production and tooling (Parts 1 & 2) [2](#page=2). 4. Assembly and joining [2](#page=2). 5. Automation and thermoplastics [2](#page=2). 6. Recycling/End of life [2](#page=2). 7. Degradation [2](#page=2). ### 1.2 Key reference materials Essential readings for this course include: * "Composites I" by Michael C. Niu (ISBN 962-7128-06-6, Edition 3 or higher) [2](#page=2). * Additional information and lecture slides are available on Moodle as PDF documents [2](#page=2). * "Composite materials: introduction" by R.P.L. Nijssen, also accessible on Moodle [2](#page=2). ### 1.3 Design case example A practical design case discussed is the requirement for a G650 overhang panel, illustrating the application of composite materials in specific engineering contexts [3](#page=3). ### 1.4 Importance of material properties and end-of-life considerations Understanding material properties is crucial in the design and application of composites. Furthermore, considerations regarding the end-of-life of these materials, including recycling and degradation, are vital aspects of their lifecycle [2](#page=2) [3](#page=3). > **Tip:** When studying composite materials, always link the theoretical concepts to practical design cases and their environmental implications, such as end-of-life scenarios [2](#page=2) [3](#page=3). --- # Resin infusion and injection processes This section details resin infusion and injection methods in composite manufacturing, contrasting them with prepreg processes and elaborating on Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) and Vacuum Infusion, including the principles of resin flow through porous media and Darcy's law [27](#page=27) [28](#page=28). ### 3.1 Comparison with prepreg processes Resin infusion processes differ significantly from prepreg processes in their fundamental approach to composite manufacturing. In resin infusion, dry fabric is initially placed on a mould, followed by the application of a vacuum bag to create a seal. Resin is then introduced and flows through the dry fibers, driven by a pressure difference, before the part is cured. Conversely, prepreg processes involve laminating layers of fibers that are already pre-impregnated with resin onto a mould. A vacuum bag is also applied, and the stacked layers are then cured [28](#page=28). ### 3.2 Types of injection processes Injection processes for composite manufacturing can be broadly categorized into two main types: Resin Transfer Moulding (RTM) and Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM), also known as vacuum infusion [29](#page=29). #### 3.2.1 Resin Transfer Moulding (RTM) RTM involves the injection of resin into a closed mould cavity under pressure, where it impregnates a pre-placed reinforcement material [29](#page=29). #### 3.2.2 Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) / Vacuum Infusion VARTM utilizes a vacuum to draw resin through the reinforcement material, which is typically laid up in an open or semi-closed mould. The process begins with dry fibers being placed on a mould. A vacuum bag is then applied to compact the laminate and create a sealed environment. Resin is subsequently infused through the material by the vacuum pressure. Curing can occur under ambient or elevated conditions [30](#page=30). **Advantages of VARTM:** * It is a closed process, offering better health, safety, and environment (HSE) conditions [30](#page=30). * Tooling expenses are moderate [30](#page=30). * It is suitable for manufacturing large composite parts [30](#page=30). **Disadvantages of VARTM:** * Product quality is considered medium [30](#page=30). * Process control is not optimal [30](#page=30). > **Tip:** VARTM is often favored for its cost-effectiveness and suitability for large structures compared to prepreg methods, though it may compromise on the highest levels of quality and process precision. ### 3.3 Tooling for vacuum infusion Tooling for vacuum infusion processes must meet specific requirements to ensure successful part fabrication. The tooling must be leaktight to maintain the vacuum integrity. It also needs to be temperature resistant to the processing conditions, which are typically lower than those required for prepregs. Curing often occurs post-moulding in an oven. Optionally, heated tooling, which can be oil, electric, or water-heated, can be employed. The mould is often manufactured in two steps: first, a master mould or plug is created, and then the actual mould is produced from this master [31](#page=31) [32](#page=32). ### 3.4 Typical products from VARTM The VARTM process is well-suited for manufacturing large composite components. Examples of typical products include wind turbine blades, bridges, and boat hulls, highlighting the capability to produce very large parts [33](#page=33). ### 3.5 Curing of large parts The curing of large composite parts manufactured via infusion processes can be achieved through several methods. Room temperature cure is possible due to the exothermic reaction of the resin, though this requires careful management. Alternatively, heated tooling can be used or the part can be cured in an oven or a hotbox [35](#page=35). ### 3.6 Comparing vacuum injection versus prepreg production Vacuum injection processes offer several advantages over prepreg production: * There are no time restrictions on the layup process [36](#page=36). * The process pressure of 1 bar simplifies and reduces the cost of tooling [36](#page=36). * Many resins can cure at room or slightly elevated temperatures, simplifying post-cure requirements [36](#page=36). * Material costs are significantly lower [36](#page=36). * Material placement is quicker than with prepregs [36](#page=36). However, vacuum injection also presents certain drawbacks: * There is less control over the production process, leading to a higher risk of errors [36](#page=36). * The process is more sensitive to leaks, which can compromise vacuum integrity [36](#page=36). * Errors in resin mixing can occur [36](#page=36). * Predicting resin flow through the fiber material is challenging [36](#page=36). * There is less control over the final product quality [36](#page=36). * The resulting parts may have higher void content [36](#page=36). * The fiber volume fraction ($V_f$) achieved might be lower [36](#page=36). ### 3.7 Principles of resin flow in porous media The injection of a viscous liquid resin into a porous medium, such as a dry fiber structure, is governed by specific physical principles. The speed of the resin flow is inversely dependent on its viscosity, denoted by $\eta$. The resin will naturally follow the path of least resistance. This flow resistance is related to the open channels within the porous medium, a property quantified by permeability, denoted by $k$. Permeability is inversely related to the fiber volume fraction [38](#page=38). #### 3.7.1 Darcy's Law Darcy's law describes the flow of a fluid through a porous medium. In its differential form, the pressure gradient ($dp/dx$) is proportional to the flow velocity. A key representation of Darcy's law is: $$Q = -\frac{kA}{\eta} \frac{dp}{dx}$$ where: * $Q$ is the volumetric flow rate (m$^3$/s) [39](#page=39). * $k$ is the permeability of the porous medium (m$^2$) [39](#page=39). * $A$ is the cross-sectional area of the porous medium perpendicular to the flow (m$^2$) [39](#page=39). * $\eta$ is the dynamic viscosity of the fluid (Pa·s) [39](#page=39). * $dp/dx$ is the pressure gradient along the flow direction (Pa/m) [39](#page=39). An alternative form of Darcy's law used in the context of filling a mold of length $L$ is: $$Q = -k \cdot A \cdot \frac{\Delta P}{\eta \cdot L}$$ Here, $\Delta P$ represents the total pressure drop across the length $L$ [39](#page=39). > **Tip:** Understanding Darcy's Law is crucial for predicting and controlling how resin will fill complex mold geometries in infusion processes. Factors like viscosity, permeability, and pressure difference are key variables. The figures and illustrate how the pressure drop and, consequently, the flow front speed change as the mold fills. As the resin flows, the pressure drop across the filled portion of the mold decreases. This leads to a reduction in the flow front speed as the mold progressively fills [39](#page=39) [40](#page=40). ### 3.8 Injection pattern and simulation Designing an effective injection pattern is vital for ensuring that the resin completely and uniformly fills the mold without trapping air. This often involves a combination of simulation and testing [41](#page=41). > **Example:** For a complex mold, simulation software can predict the resin flow paths, identify potential dry spots or air traps, and help optimize the placement of resin inlets and vacuum outlets before committing to physical tooling. The document includes visual references to vacuum infusion processes underscoring the practical application of these principles [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44). --- # CTE mismatch and its effects CTE mismatch is a significant phenomenon in composite manufacturing that can lead to undesirable outcomes such as springback and warping of composite parts during or after processing. This arises from differences in how constituent materials within a composite expand or contract with temperature changes [8](#page=8) [9](#page=9). ### 4.1 Understanding CTE Mismatch The Coefficient of Thermal Expansion (CTE) quantifies the tendency of a material to change its shape in response to temperature fluctuations. In composite materials, which are typically made of multiple constituents (e.g., fibers and a matrix), these individual materials often possess different CTE values. This difference is known as CTE mismatch [8](#page=8) [9](#page=9). ### 4.2 Mechanisms of Springback and Warping When a composite part is subjected to thermal cycles during manufacturing processes, such as curing or cooling, the constituent materials attempt to expand or contract at different rates due to their differing CTEs [8](#page=8) [9](#page=9). * **Internal Stresses:** This differential expansion or contraction generates internal stresses within the composite material [8](#page=8) [9](#page=9). * **Differential Strain:** Different layers or regions of the composite experience varying amounts of strain [8](#page=8) [9](#page=9). * **Deformation:** These internal stresses and differential strains can cause the material to deform from its intended shape, leading to either springback or warping [8](#page=8) [9](#page=9). * **Springback:** This refers to the elastic recovery of a material after a load or stress has been removed. In the context of CTE mismatch, it can manifest as a tendency for the part to return to a slightly different shape after cooling from processing temperatures [8](#page=8) [9](#page=9). * **Warping:** This is a permanent deformation of the part, causing it to deviate significantly from its planar or intended geometry. Warping is often a consequence of residual stresses built up during processing that are not fully relieved or balanced [8](#page=8) [9](#page=9). > **Tip:** Understanding the individual CTE values of all constituent materials is crucial for predicting and mitigating CTE mismatch effects. ### 4.3 Factors Influencing CTE Mismatch Effects Several factors can influence the severity of CTE mismatch and its resulting effects: * **Material Properties:** The specific CTE values of the fibers, matrix, and any other reinforcement materials are primary determinants [8](#page=8) [9](#page=9). * **Volume Fraction:** The relative proportions of different materials within the composite can significantly impact the overall CTE and the resulting stresses [8](#page=8) [9](#page=9). * **Laminate Stacking Sequence:** For layered composites (laminates), the order and orientation of the plies play a critical role in how thermal stresses are distributed and how the part deforms [8](#page=8) [9](#page=9). * **Processing Conditions:** The temperature profiles, cooling rates, and pressure applied during manufacturing can all influence the development and relaxation of internal stresses [8](#page=8) [9](#page=9). ### 4.4 Mitigation Strategies Addressing CTE mismatch is essential for producing high-quality composite parts. Strategies include: * **Material Selection:** Choosing constituent materials with compatible CTEs can minimize mismatch [8](#page=8) [9](#page=9). * **Design Optimization:** Carefully designing the laminate stacking sequence to balance thermal stresses across the thickness and in-plane of the part [8](#page=8) [9](#page=9). * **Process Control:** Implementing controlled heating and cooling cycles to manage stress development and relief [8](#page=8) [9](#page=9). * **Post-Processing Treatments:** Utilizing annealing or other treatments to reduce residual stresses after initial processing [8](#page=8) [9](#page=9). > **Example:** A composite part made with a high-CTE matrix and a low-CTE fiber, when heated during curing, will experience the matrix trying to expand more than the fibers. This can lead to internal stresses that, upon cooling, result in the part bending or warping. --- ## 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

| Term | Definition | |------|------------| | Composites | Materials made from two or more constituent materials with significantly different physical or chemical properties which remain separate and distinct at the molecular level throughout the finished structure. | | Tooling | Molds, dies, or fixtures used to shape and solidify composite materials during the manufacturing process, defining the final geometry and surface quality of the part. | | Leak-tight | A condition where a system or component prevents the unintended passage of fluids or gases, crucial for maintaining vacuum and pressure during composite manufacturing. | | Compaction | The process of pressing layers of material together to remove voids and ensure good adhesion, often achieved through vacuum bagging in composite manufacturing. | | Durability | The ability of a tool or composite part to withstand repeated use or environmental conditions without significant degradation in performance or appearance. | | Coefficient of Thermal Expansion (CTE) | A measure of how much a material expands or contracts in response to changes in temperature. Mismatches in CTE between the tool and the composite part can cause defects like warping. | | Springback | The elastic recovery of a material after being deformed. In composite manufacturing, it refers to the tendency of the part to slightly change shape after being released from the mold due to internal stresses. | | Warping | A distortion or twisting of a material from its intended flat or regular shape, often caused by internal stresses or differential thermal expansion. | | Vacuum bagging | A composite manufacturing process where a flexible film is sealed over the part and tool, and then air is evacuated to compact the laminate layers and facilitate curing. | | Autoclave | A pressurized, heated vessel used for curing composite materials under controlled temperature, pressure, and vacuum conditions to achieve high performance. | | Layup | The process of placing layers of reinforcing fabric (plies) onto a mold in a specific orientation and sequence to build up the composite structure. | | Debulking | A process step in composite manufacturing where vacuum is applied to consolidate multiple layers of prepreg or dry fabric to reduce thickness and remove trapped air before final cure. | | Release film | A thin film applied to the mold surface or between layers in composite manufacturing to prevent the part from adhering to the mold or other materials. | | Breather layer | A porous material placed within a vacuum bag that allows air and volatile byproducts to escape from the laminate during cure, facilitating uniform compaction. | | Peelply | A fabric layer placed directly on the laminate surface before vacuum bagging, which can be peeled off after cure to provide a clean, textured surface suitable for secondary bonding and to allow air escape. | | Resin Transfer Moulding (RTM) | A composite manufacturing process where dry reinforcing fibers are placed in a closed mold, and then liquid resin is injected under pressure. | | Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) / Vacuum Infusion | A composite manufacturing process where dry fibers are placed on an open mold, a vacuum bag is applied, and resin is infused into the fiber preform by vacuum pressure. | | Permeability (k) | A measure of a porous material's ability to allow fluids to pass through it. In resin infusion, it influences the speed and direction of resin flow through the fiber preform. | | Darcy's Law | A fundamental law in fluid dynamics that describes the flow of a fluid through a porous medium. It relates the volumetric flow rate to the pressure gradient, viscosity, and permeability of the medium. |

# De productiesequentie van artefacten Het onderzoek naar de productiesequentie, ook wel chaîne opératoire genoemd, bestudeert de opeenvolgende handelingen die betrokken zijn bij de productie en het gebruik van artefacten, vanaf de winning van de grondstof tot aan het afdanken ervan [2](#page=2). ### 1.1 Concept van de productiesequentie De productiesequentie is een methodologie die de opeenvolgende stappen in de levenscyclus van een artefact analyseert. Dit omvat [2](#page=2): * **Winning van de grondstof:** De initiële fase waarin de benodigde materialen worden verkregen [2](#page=2). * **Vervaardiging:** Het proces van het bewerken en transformeren van de grondstof tot een functioneel object [2](#page=2). * **Gebruik:** De periode waarin het artefact wordt ingezet voor zijn beoogde functie [2](#page=2). * **Afdanking:** Het stadium waarin het artefact niet meer in gebruik is en wordt weggegooid of achtergelaten [2](#page=2). Het concept is beïnvloed door denkers zoals Marcel Mauss en André Leroi-Gourhan, die de nadruk legden op "savoir-faire" (know-how) en kennis die ten grondslag liggen aan de productieprocessen [5](#page=5). ### 1.2 Natuurlijke grondstoffen in artefactproductie De studie van productiesequenties maakt gebruik van diverse natuurlijke grondstoffen, waaronder: * Steen [6](#page=6). * Hout [6](#page=6). * Plantaardige vezels (relevant voor textielen) [6](#page=6). * Bot [6](#page=6). * Gewei [6](#page=6). * Ivoor [6](#page=6). * Schelpen [6](#page=6). ### 1.3 De productieketen van steen Steen vormt een van de meest bestudeerde materialen binnen de archeologie vanwege zijn duurzaamheid en de zichtbare sporen die bewerkingen achterlaten. De productiesequentie van stenen artefacten omvat de volgende fasen: #### 1.3.1 Ontginning Dit is de eerste stap, waarbij de steen wordt gewonnen uit zijn natuurlijke omgeving, zoals groeven of vindplaatsen. De keuze van de steensoort is cruciaal en wordt bepaald door eigenschappen als hardheid, breukgedrag, korrelgrootte, kleur en isotropie (uniforme eigenschappen in alle richtingen) [41](#page=41) [48](#page=48) [58](#page=58) [7](#page=7) [8](#page=8). #### 1.3.2 Distributie en transport Na ontginning wordt de steen getransporteerd van de winplaats naar de plekken waar het bewerkt en gebruikt zal worden. De efficiëntie en schaal van dit transport kunnen veel zeggen over sociale organisatie en netwerken [41](#page=41) [48](#page=48) [58](#page=58) [8](#page=8). #### 1.3.3 Vervaardiging In deze fase wordt de ruwe steen bewerkt tot een artefact. Dit kan gebeuren door middel van technieken zoals hakken, schrapen, polijsten of het door vuur bewerken van de steen. De keuze van de techniek hangt af van de steensoort en het gewenste eindproduct [41](#page=41) [48](#page=48) [58](#page=58) [8](#page=8). #### 1.3.4 Gebruik Dit is de fase waarin het vervaardigde artefact zijn functie vervult. De sporen van gebruik op het artefact, zoals slijtagepatronen, kunnen inzicht geven in de specifieke activiteit waarvoor het diende [41](#page=41) [48](#page=48) [58](#page=58) [8](#page=8). #### 1.3.5 Afdanking De laatste fase omvat het moment waarop het artefact niet meer functioneel is of wordt vervangen. Artefacten kunnen dan worden weggegooid, achtergelaten op de gebruiksplek, verloren gaan, of opnieuw worden bewerkt. De context waarin artefacten worden aangetroffen, is hierbij van essentieel belang voor de interpretatie [41](#page=41) [48](#page=48) [58](#page=58) [8](#page=8). > **Tip:** Het nauwkeurig documenteren van elke stap in de productiesequentie, van de steengroeve tot de vindplaats, stelt archeologen in staat om complexe processen te reconstrueren en de technologie, economie en sociale structuren van vroegere gemeenschappen te begrijpen. --- # Steen: ontginning, transport en vervaardiging Dit hoofdstuk behandelt de methoden van steenwinning, de logistiek van transport en de technieken voor het vervaardigen van stenen artefacten, geïllustreerd met voorbeelden uit diverse culturen en periodes. ### 2.1 Steenwinning (ontginning) De winning van steen omvat diverse technieken en vindt plaats op specifieke locaties wereldwijd [10](#page=10) [11](#page=11) [12](#page=12) [9](#page=9). #### 2.1.1 Dagbouw Dagbouw is een veelgebruikte methode voor het winnen van steen, waarbij het gesteente aan de oppervlakte wordt geëxtraheerd [9](#page=9). * **Voorbeelden van locaties:** * Assuan (Egypte) [9](#page=9). * Paaseiland, waar Moai werden uitgehouwen in vulkaankraters [10](#page=10). * Craig Rhos-y-felin, een steengroeve voor megalithische bouwwerken zoals Stonehenge [11](#page=11). * Carrara (Italië) voor marmer, gebruikt in Romeinse en Renaissance architectuur [12](#page=12). #### 2.1.2 Extractietechnieken Verschillende methoden worden gebruikt om grote steenblokken te scheiden van de natuurlijke rotsformatie: * **Uitbreiden van bestaande barsten:** Houten wiggen worden in natuurlijke of gecreëerde barsten geplaatst en nat gemaakt. Het hout zet uit, waardoor de barsten groter worden en de steen losbreekt [13](#page=13). * **Gebruik van vuur:** Gesteenten kunnen worden verwarmd met vuur om ze te fragmenteren of te doen barsten, waarna ze gemakkelijker te bewerken zijn [14](#page=14) [15](#page=15). #### 2.1.3 Vuursteenmijnbouw Naast dagbouw is ook mijnbouw voor specifieke gesteentes, zoals vuursteen, een belangrijke ontginningstechniek [16](#page=16). * **Locaties:** * Cap Blanc Nez (Noord-Frankrijk) [18](#page=18). * Ètretat (Frankrijk) [19](#page=19). * Grime's Graves (Verenigd Koninkrijk) [32](#page=32). * Spiennes (België) [32](#page=32). #### 2.1.4 Gereedschappen en artefacten De gewonnen steen werd vaak verwerkt tot gereedschappen. Voorbeelden hiervan zijn bijlen en klingen [30](#page=30) [31](#page=31). ### 2.2 Steenbewerking (vervaardiging) De vervaardiging van stenen artefacten omvat zowel het bewerken van ruw gesteente als het herkennen en reconstrueren van fragmenten. Etnografische studies en experimentele archeologie spelen een cruciale rol in het begrijpen van deze processen [49](#page=49) [50](#page=50) [51](#page=51). #### 2.2.1 Experimentele steenbewerking Onderzoekers zoals F. Bordes en D. Crabtree hebben door experimentele steenbewerking technieken uit het verleden nagebootst [51](#page=51). #### 2.2.2 Percussietechnieken Percussie, het slaan op steen, is een fundamentele techniek in de steenbewerking. Er worden verschillende methoden onderscheiden: * **Directe zachte percussie:** Slaan met een zacht gereedschap (bijv. een hamer van been of hout) op de steen [52](#page=52). * **Directe harde percussie:** Slaan met een hard gereedschap (bijv. een steen op steen) op de steen. Dit kan leiden tot grotere afslagstukken [52](#page=52) [53](#page=53). * **Indirecte percussie:** Hierbij wordt een tussenstuk (een beitel of steker) gebruikt dat met een hamer wordt geslagen, welke op zijn beurt de steen bewerkt. Deze methode biedt meer controle en precisie [52](#page=52) [53](#page=53). #### 2.2.3 Refitting of remontage Refitting, ook wel remontage genoemd, is de techniek van het reconstrueren van artefacten door gebroken fragmenten weer aan elkaar te passen. Dit proces helpt bij het begrijpen van de oorspronkelijke vorm, de gebruikte bewerkingstechnieken en de aard van de breuken [54](#page=54). #### 2.2.4 Verticale spreiding Bij archeologische vindplaatsen kan de verticale spreiding van stenen artefacten informatie verschaffen over de datering en context van de vondsten [57](#page=57). > **Tip:** Het bestuderen van de verschillende percussietechnieken, zoals directe zachte, directe harde en indirecte percussie, is essentieel voor het begrijpen van de vaardigheid en technologie van steenbewerkers in het verleden [52](#page=52) [53](#page=53). > **Tip:** Refitting is een krachtige methode om de technologische processen en het gedrag van vroege menselijke groepen te reconstrueren [54](#page=54). --- # Steen: herkomst, geografische spreiding en gebruik Dit deelonderwerp behandelt de methoden om de oorsprong van steen te achterhalen, de verspreiding ervan te traceren en de functie van stenen werktuigen te reconstrueren aan de hand van gebruikssporen. ### 3.1 De herkomst van steen bepalen Het vaststellen van de oorsprong van steen is essentieel voor het begrijpen van handelsnetwerken en de beweging van materialen in het verleden. Er zijn verschillende methoden, onder te verdelen in petrografische en geo-chemische analyses [33](#page=33) [35](#page=35). #### 3.1.1 Petrografische analyse Petrografische analyse, ook wel mineralogische analyse genoemd, onderzoekt de minerale samenstelling en textuur van gesteente. Dit gebeurt vaak via onderzoek van slijpplaten onder een stereomicroscoop. Door de samenstelling van stenen werktuigen te vergelijken met die van bekende vindplaatsen, kan de herkomst worden bepaald [33](#page=33) [34](#page=34). #### 3.1.2 Geo-chemisch herkomstonderzoek Geo-chemische methoden analyseren de elementaire samenstelling van steen. Verschillende technieken worden hiervoor gebruikt: * **X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF)** [35](#page=35). * **Neutronenactiveringsanalyse (NAA of INAA)** [36](#page=36). * **Laser ablatie-inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (LA-ICP-MS)** [36](#page=36). Deze technieken detecteren en kwantificeren sporen-elementen in het gesteente. Door de relatieve percentages van elementen zoals titanium, ijzer en calcium te analyseren, kan een specifiek "vingerafdruk" van een steengroeve worden verkregen [37](#page=37). #### 3.1.3 Micropaleontologisch onderzoek Micropaleontologisch onderzoek analyseert microscopische fossielen (microfossielen) die in het gesteente aanwezig kunnen zijn. Deze microfossielen zijn vaak specifiek voor bepaalde geologische periodes en omgevingen, en kunnen daardoor helpen de herkomst van het gesteente te bepalen [38](#page=38). ### 3.2 Geografische spreiding van steen De geografische spreiding van steen wordt onderzocht door de vindplaatsen van specifieke steensoorten, zoals die van Alpijnse bijlen of Wommersom kwartsiet, in kaart te brengen. Dit onderzoek maakt inzichtelijk hoe materialen in het verleden zijn verspreid, mogelijk door handel of migratie [39](#page=39) [40](#page=40). ### 3.3 Het gebruik van steen: gebruikssporenonderzoek Gebruikssporenonderzoek (microwear analysis) richt zich op de microscopische sporen die ontstaan door het gebruik van stenen werktuigen. Dit veld is ontwikkeld door onderzoekers zoals Sergei Semenov, Lawrence Keeley, en recenter onder meer A. Van Gijn, V. Rots en S. Filibert [59](#page=59). #### 3.3.1 Principes en technieken Het onderzoek wordt uitgevoerd met microscopen, variërend van low-power (20-50x vergroting) tot high-power (200-1000x vergroting). Het analyseren van de aard en locatie van de sporen kan informatie verschaffen over het contactmateriaal, de toestand van dat materiaal, de gebruiksduur, de richting van het gebruik (schrapen, snijden, zagen, draaien) en de manier van gebruik (in de hand of geschacht) [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61) [65](#page=65). **Typen gebruikssporen:** * Breuken [60](#page=60). * Krassen [60](#page=60). * Retouches [60](#page=60). * Glansvorming (houtglans, huidglans, botglans) [61](#page=61). Om de sporen te bestuderen, kunnen replica's van het oppervlak worden gemaakt. Experimenteel onderzoek, waarbij replica's van de sporen worden gemaakt, is hierbij cruciaal [62](#page=62). #### 3.3.2 Mogelijkheden van gebruikssporenonderzoek Met gebruikssporenonderzoek kunnen verschillende aspecten van het gebruik worden gereconstrueerd [65](#page=65): * **Contactmateriaal:** Been, hout, gewei, huid, plantenmateriaal [65](#page=65). * **Toestand contactmateriaal:** Nat, droog, halfdroog [65](#page=65). * **Relatieve gebruiksduur:** Langdurig of kortstondig gebruik [65](#page=65). * **Richting van gebruik:** Schrapen, snijden, zagen, draaien [65](#page=65). * **Manier van gebruik:** In vrije hand of geschacht [65](#page=65). > **Tip:** Het is belangrijk om te beseffen dat de glansvorming (zoals houtglans) de meest karakteristieke en diagnostische sporen zijn voor het reconstrueren van het contactmateriaal [61](#page=61). > **Example:** Een schraper die gebruikt is om huiden te bewerken, zal typisch microscopische krassen en een specifieke vorm van glans vertonen die verschilt van een werktuig gebruikt voor het bewerken van bot [63](#page=63) [68](#page=68). #### 3.3.3 Beperkingen van gebruikssporenonderzoek Het onderzoek kent ook beperkingen [66](#page=66): * **Verwering:** Sterk verweerd materiaal kan de sporen maskeren [66](#page=66). * **Korte gebruiksduur:** Bij kortstondig gebruik zijn de sporen mogelijk niet zichtbaar [66](#page=66). * **Harde vs. zachte materialen:** Hoge hardheid van contactmateriaal leidt tot snellere vorming van gebruikssporen dan zachte materialen [66](#page=66). * **Focus op steen:** Het onderzoek richt zich enkel op stenen werktuigen, terwijl organische werktuigen ook gebruikt werden [66](#page=66). #### 3.3.4 Ruimtelijk onderzoek en residu analyse Naast microwear analyse is ook ruimtelijk onderzoek en residu analyse van belang. Ruimtelijk onderzoek visualiseert de distributie van verschillende typen bewerkingen, zoals huidbewerking en beenbewerking, op een artefact [67](#page=67) [68](#page=68) [69](#page=69). Residu analyse, vaak uitgevoerd met behulp van een Scanning Electronen Microscoop (SEM), kan detecteren welke materialen op het werktuig zijn achtergebleven. Dit kan variëren van mineralen zoals pyriet, tot organische stoffen zoals hars, fytolieten en bloed. Deze residuen kunnen directe aanwijzingen geven over de functie van het werktuig [69](#page=69). > **Tip:** De combinatie van microwear analyse, ruimtelijke analyse en residu analyse biedt de meest complete reconstructie van het gebruik van stenen werktuigen. > **Example:** Een werktuig dat op basis van microwear sporen duidt op het bewerken van been, kan door residu analyse ook bevestigd worden met de detectie van botfragmenten of eiwitten [68](#page=68) [69](#page=69). --- # Hout en andere materialen: ontginning, vervaardiging en gebruik Dit document beschrijft de ontginning, vervaardiging en het gebruik van hout, bot, gewei en andere materialen zoals hoorn en textiel. ## 4. Hout en andere materialen: ontginning, vervaardiging en gebruik ### 4.1 Hout: een overzicht van eigenschappen en de keten Hout kent diverse kenmerken die relevant zijn voor de analyse van zijn gebruik door de mens, waaronder densiteit, elasticiteit, breekbaarheid, isotropie, brandbaarheid, en de groeivorm van de boom. De gehele 'chaîne opératoire' van hout omvat ontginning, transport/distributie, vervaardiging, gebruik en uiteindelijk afdanking [70](#page=70) [71](#page=71). #### 4.1.1 Ontginning van hout De ontginning van hout was sterk afhankelijk van het beoogde gebruik, variërend van huizenbouw, brandstof, werktuigen, scheepshout tot wapens. In de Griekse en Romeinse tijd werd al uitgebreid gebruik gemaakt van hout, met vermeldingen van Plinius de Oudere en Theophrastus. In de Middeleeuwen (ME) in Noordwest-Europa werden voornamelijk Gewone Es (Fraxinus) en Els (Alnus) gebruikt voor wapens, terwijl Taxus werd ingezet voor bogen vanwege de spankracht. Hout diende ook als essentiële brandstof [72](#page=72) [73](#page=73) [74](#page=74) [75](#page=75). #### 4.1.2 Identificatie en herkomst van hout De anatomie van hout maakt identificatie mogelijk. De studie hiervan, anthracologie, helpt bij het vaststellen van de herkomst van hout, een proces dat bekend staat als 'dendro-provenancing'. Naast houtanatomie kunnen ook strontiumisotopen en geochemische analyses ingezet worden om de herkomst te bepalen [76](#page=76) [77](#page=77) [78](#page=78) [79](#page=79). #### 4.1.3 Transport van hout Het transport van hout kon over aanzienlijke afstanden plaatsvinden. Eikenhout uit de Baltische staten werd bijvoorbeeld vanaf de 13e eeuw reeds in België geïmporteerd. Tijdens de Eerste Wereldoorlog werd hout uit Noord-Amerika aangevoerd [80](#page=80) [81](#page=81). #### 4.1.4 Vervaardiging van houten objecten Gedurende het Paleolithicum en Mesolithicum werden reeds houten objecten vervaardigd. Experimentele archeologie en de analyse van micro-slijtagepatronen ('micro-wear') bieden inzicht in de fabricageprocessen. De specifieke kenmerken van hout zijn hierbij van belang. In het Neolithicum werden gereedschappen zoals gepolijste bijlen en dissels van hout gemaakt. Een illustratief voorbeeld van houtbewerking is te zien in de Tombe van Rekhmire in Thebe (2e millennium v. Chr.). In Romeins Londen en Great Chesterford zijn eveneens sporen van houtvervaardiging gevonden [82](#page=82) [83](#page=83) [84](#page=84) [85](#page=85) [86](#page=86) [87](#page=87). #### 4.1.5 Gebruik van hout Bewerkt hout is gevonden op archeologische sites zoals Kalambo Falls in Zambia, gedateerd door Barham et al. in Nature. Waterputten uit de LBK-cultuur getuigen van het gebruik van hout evenals de veenweg in Somerset Levels [88](#page=88) [90](#page=90) [91](#page=91). ### 4.2 Andere materialen #### 4.2.1 Gewei Gewei, afkomstig van Cervidae (hertachtigen), kent variaties in seizoenaliteit, leeftijd en geslacht. De vervaardiging van objecten uit gewei omvatte technieken zoals het onderdompelen in water. Er zijn diverse toepassingen van gewei bekend [92](#page=92) [93](#page=93) [94](#page=94) [95](#page=95). #### 4.2.2 Bot Bot werd eveneens als grondstof gebruikt. Een bekend voorbeeld zijn ijsschaatsen, vervaardigd uit de schenen van runderen of paarden, die teruggevonden zijn in Romeinse, Middeleeuwse en post-Middeleeuwse contexten [96](#page=96) [97](#page=97) [98](#page=98). #### 4.2.3 Overige materialen Naast hout, bot en gewei, werden ook andere grondstoffen ingezet. Hieronder vallen hoorn, schelpen, plantaardige vezels voor textiel, huiden, wol en zijde. Deze materialen vulden het spectrum van beschikbare grondstoffen aan voor diverse toepassingen door de mens door de geschiedenis heen [99](#page=99). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Productiesequentie | Een concept uit de archeologie dat de opeenvolgende handelingen omvat, beginnend bij de winning van grondstoffen, via de vervaardiging en het gebruik van objecten, tot aan het afdanken ervan. | | Artefact | Een object dat door de mens is gemaakt of aangepast, en dat in archeologische context wordt teruggevonden. | | Ecofact | Een natuurlijk object dat archeologisch relevant is vanwege de ecologische informatie die het kan verschaffen, zoals botten, zaden of pollen, maar dat niet door de mens is gemaakt. | | Chaîne opératoire | Een Frans concept dat verwijst naar de reeks handelingen die betrokken zijn bij de productie van een artefact, van de ruwe grondstof tot het voltooide product en het gebruik ervan. | | Savoir-faire | De praktische kennis en vaardigheid om iets te doen, vaak verworven door ervaring en oefening. | | Connaissances | Algemene kennis, theorieën en feiten die men bezit, in tegenstelling tot praktische vaardigheden. | | Grondstof | Ruw materiaal dat wordt gewonnen uit de natuur en wordt gebruikt om producten te vervaardigen. | | Steenwinning (Ontginning) | Het proces van het winnen van steen uit de aarde, vaak door middel van mijnbouw of dagbouw. | | Breuk (steen) | De manier waarop steen breekt wanneer er kracht op wordt uitgeoefend, zoals conchoïdale breuken, die kenmerkend zijn voor vuursteen. | | Korrelgrootte | De omvang van de individuele kristallen of deeltjes in een gesteente, wat invloed heeft op de textuur en bewerkbaarheid. | | Isotropie | Een eigenschap van materialen waarbij de fysische eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn, wat belangrijk is voor bewerkbaarheid. | | Petrografische analyse | Een wetenschappelijke methode die de minerale samenstelling en structuur van gesteenten bestudeert, vaak met behulp van microscopen. | | Slijpplaat | Een dun stukje gesteente dat op glas is gemonteerd, zodat het onder een microscoop kan worden geanalyseerd om de minerale samenstelling te bepalen. | | Stereomicroscoop | Een microscoop die een driedimensionaal beeld geeft, nuttig voor het onderzoeken van oppervlaktestructuren en kleine objecten. | | Geo-chemisch herkomstonderzoek | Een analysemethode die de chemische samenstelling van materialen gebruikt om hun geografische oorsprong te bepalen. | | X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF) | Een techniek die de elementaire samenstelling van een monster analyseert door de fluorescentie te meten die ontstaat wanneer het wordt blootgesteld aan röntgenstraling. | | Neutronenactiveringsanalyse (INAA) | Een sensitieve techniek voor elementaire analyse die gebaseerd is op de detectie van gammastraling die wordt uitgezonden door radioactieve isotopen na neutronenbombardement. | | Laser ablatie-inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (LA-ICP-MS) | Een geavanceerde techniek voor elementaire en isotopische analyse die een laser gebruikt om een monster te ableren en de resulterende plasma te analyseren met een massaspectrometer. | | Micropaleontologisch onderzoek | Het bestuderen van fossiele micro-organismen om informatie te verkrijgen over het milieu en de geologische datering van afzettingen. | | Transport/Distributie | Het verplaatsen van materialen of objecten van de plaats van winning of productie naar andere locaties. | | Vervaardiging | Het proces van het omzetten van grondstoffen in afgewerkte producten of artefacten door middel van bewerkingen. | | Gebruik (van werktuigen) | De toepassing van een artefact voor een specifieke taak, zoals snijden, schrapen of boren. | | Afdanking | Het punt waarop een artefact niet langer wordt gebruikt en wordt weggegooid of achtergelaten. | | Percussie | Een techniek waarbij een steen wordt bewerkt door erop te slaan met een ander object (percussor) om splintervorming te bewerkstelligen. | | Refitting / Remontage | Het proces waarbij verspreide fragmenten van een gebroken artefact worden samengevoegd om de oorspronkelijke vorm en productietechniek te reconstrueren. | | Gebruikssporenonderzoek (Microwear analysis) | Een methode om microscopische sporen op werktuigoppervlakken te analyseren om de aard van het contactmateriaal en de gebruiksactiviteit te bepalen. | | Breuken (gebruikssporen) | Microscopische breukjes op een werktuigoppervlak die ontstaan door de interactie met een ander materiaal tijdens gebruik. | | Krassen (gebruikssporen) | Lijnen of groeven op een werktuigoppervlak die ontstaan door schuring of contact met abrasieve materialen. | | Retouches | Kleine bewerkingen aan de rand van een stenen werktuig om de scherpte of vorm te verbeteren, vaak door het verwijderen van kleine splintertjes. | | Houtglans | Een glanzend oppervlak op een werktuig dat ontstaat door langdurig contact en wrijving met hout. | | Botglans | Een glanzend oppervlak op een werktuig dat ontstaat door langdurig contact en wrijving met bot of gewei. | | Replica | Een exacte kopie van een artefact, vaak gemaakt voor experimenteel onderzoek of demonstratiedoeleinden. | | Federmesser | Een type paleolithisch werktuig met een smalle, schuine snede, gebruikt voor snijden of schrapen. | | Scanning-elektronen microscoop (SEM) | Een krachtige microscoop die gedetailleerde beelden van het oppervlak van een monster levert door het te scannen met een gebundelde elektronenstraal. | | Residu analyse | De analyse van kleine sporen van materiaal die achterblijven op een artefact, om informatie te verkrijgen over het gebruik ervan. | | Hout (densiteit) | Het gewicht van een bepaald volume hout, een eigenschap die de bewerkbaarheid en duurzaamheid beïnvloedt. | | Hout (elasticiteit) | Het vermogen van hout om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm na vervorming, belangrijk voor bijvoorbeeld bogen. | | Hout (brandbaarheid) | De mate waarin hout kan branden, wat relevant is voor het gebruik als brandstof. | | Groeiwijze (hout) | De natuurlijke groei van een boom, inclusief de aanwezigheid van takken en de richting van de stam, wat invloed heeft op de geschiktheid voor bepaalde toepassingen. | | Anthracologie | De studie van verbrande houtresten (houtskool) om informatie te verkrijgen over de boomsoorten die in het verleden werden gebruikt voor brandstof of constructie. | | Dendro-provenancing | Een methode om de geografische oorsprong van hout te bepalen door de groei-eigenschappen en isotopensamenstelling te analyseren. | | Gewei | De hoornachtige uitgroeisels op het hoofd van mannelijke herten, die periodiek afvallen en weer aangroeien, gebruikt als materiaal voor werktuigen. | | Bot | Het harde, beschermende weefsel dat het skelet van gewervelde dieren vormt, gebruikt als materiaal voor werktuigen en objecten. | | Hoorn | De puntige, hoornachtige bedekking van de horens van bepaalde zoogdieren, gebruikt als materiaal voor diverse objecten. | | Schelpen | De harde, beschermende buitenkant van weekdieren, gebruikt als materiaal voor sieraden, gereedschap en versiering. | | Plantaardige vezels | Draadvormige structuren afkomstig van planten, gebruikt voor de productie van textiel, touw en manden. | | Huiden | De buitenste laag van een dier, vaak verwerkt tot leer voor kleding, bescherming en andere toepassingen. | | Wol | De zachte, gekroesde vacht van schapen en andere herkauwers, gebruikt voor de productie van textiel. | | Zijde | Een fijne, glanzende vezel die door zijderupsen wordt geproduceerd, gebruikt voor de productie van hoogwaardige textiel. |

# Productiesequentie en grondstoffen Dit onderwerp onderzoekt de opeenvolgende stappen in de productie van artefacten, vanaf de grondstofwinning tot het uiteindelijke afdanken, inclusief de gebruikte natuurlijke en synthetische materialen [3](#page=3). ### 1.1 Definitie en scope van productiesequentie De productiesequentie, ook wel bekend als de 'chaîne opératoire', is de studie van de opeenvolgende handelingen die betrokken zijn bij de productie van artefacten. Dit omvat het gehele levenscyclus van een object, beginnend bij de winning van de grondstof, gevolgd door de vervaardiging en het gebruik van de objecten of artefacten, en eindigend met het afdanken ervan [3](#page=3). ### 1.2 Grondstoffen #### 1.2.1 Natuurlijke grondstoffen De natuurlijke grondstoffen die worden gebruikt bij de productie van artefacten zijn onder andere: * Steen [4](#page=4). * Hout [4](#page=4). * Plantaardige vezels (relevant voor textielproductie) [4](#page=4). * Bot [4](#page=4). * Gewei [4](#page=4). * Ivoor [4](#page=4). * Schelpen [4](#page=4). #### 1.2.2 Synthetische materialen Synthetische materialen, die door menselijke bewerking ontstaan uit natuurlijke of andere materialen, omvatten: * Aardewerk [5](#page=5). * Metaal [5](#page=5). * Glas [5](#page=5). * Plaaster (ongebluste kalk) [5](#page=5). ##### 1.2.2.1 Vroege synthetische materialen De ontwikkeling van synthetische materialen heeft een lange geschiedenis: * Voorbeelden van vroege synthetische materialen zijn te vinden op locaties zoals Campitello (ca. 200.000 BP in Italië) en Königsaue (ca. 120-70.000 BP in Duitsland) [14](#page=14). * Plaaster, specifiek ongebluste kalk, werd vanaf ongeveer 12.000 jaar geleden gebruikt. Dit proces omvat het verhitten van materialen zoals kalksteen, krijt of mergel tot temperaturen boven de 700-800 graden Celsius. Dit materiaal werd reeds in de Natufiaanse cultuur en later in de PrePottery Neolithic A (PPNA) en PrePottery Neolithic B (PPNB) periodes toegepast, bijvoorbeeld op de site van Aïn Ghazal in Jordanië [16](#page=16). > **Tip:** Het onderscheid tussen natuurlijke en synthetische grondstoffen is cruciaal voor het begrijpen van technologische ontwikkelingen door de geschiedenis heen. Synthetische materialen markeren vaak significante innovaties in menselijke productiecapaciteiten. --- # Technologische vooruitgang door vuurgebruik Dit onderwerp onderzoekt hoe de beheersing van vuur een cruciale rol heeft gespeeld in de technologische ontwikkeling van de mensheid, vanaf de eerste gewenning tot en met verfijnd gebruik in materialenbewerking. ### 2.1 De fasen van vuurdomesticatie De domesticatie van vuur wordt over het algemeen opgedeeld in twee grote fasen [6](#page=6). #### 2.1.1 Fase 1: Gewenning aan en seizoenaal gebruik van vuur Deze initiële fase kenmerkt zich door een lange prehistorie van vuurgebruik, waarbij de mens mogelijk nog niet volledig controle had over het vuur. Het gebruik was waarschijnlijk seizoensgebonden en niet continu [6](#page=6). #### 2.1.2 Fase 2: De "domesticatie" van vuur Vanaf circa 300.000 jaar geleden is er een geleidelijke toename in het bewijs voor continu en gecontroleerd vuurgebruik, wat wordt beschouwd als de echte domesticatie van vuur [11](#page=11). ### 2.2 Vroege bewijzen van vuurgebruik De oudste sites met sporen van vuur dateren van meer dan 400.000 jaar geleden. Enkele van deze belangrijke vindplaatsen zijn [10](#page=10): * Koobi Fora (Kenia) [10](#page=10). * Chesowanja (Kenia) [10](#page=10). * Swartkrans (Zuid-Afrika) [10](#page=10). * Wonderwerk (Zuid-Afrika) [10](#page=10). * Kalambo Falls (Zambia) [10](#page=10). * Gesher Benot Ya’aqov (Israël), gedateerd rond 700.000 jaar geleden [10](#page=10). * Zhoukoudian (China), gedateerd tussen 500.000 en 200.000 jaar geleden [10](#page=10). ### 2.3 Vuur in technologische toepassingen #### 2.3.1 Vuur in houtbewerking Vuur speelde een belangrijke rol in de houtbewerking. Hoewel de specifieke technieken niet gedetailleerd worden beschreven op de gegeven pagina's, impliceert het gebruik van vuur in deze context het vermogen om hout te vormen, te harden of te bewerken met behulp van hitte [12](#page=12). #### 2.3.2 Hittebehandeling van gesteenten Een significante technologische vooruitgang was de hittebehandeling van gesteenten. Archeologische vondsten, zoals die in Pinnacle Point (Zuid-Afrika, 70.000 jaar geleden), tonen aan dat vroege mensachtigen gesteenten bewust verhit hebben. Deze techniek, onderzocht door Mercieca & Hiscock had tot doel de eigenschappen van de gesteenten te verbeteren, waarschijnlijk om ze geschikter te maken voor gereedschapsproductie. Door gesteenten te verhitten, konden ze beter worden gebroken en bewerkt tot scherpe werktuigen [13](#page=13) . > **Tip:** Begrijpen dat vuur niet alleen een warmtebron was, maar ook een instrument om materialen te modificeren, is essentieel voor het waarderen van de technologische sprongen die onze voorouders maakten. --- # Aardewerk: oorsprong, fabricage en gebruik Dit onderwerp behandelt de volledige levenscyclus van aardewerk, van de geologische oorsprong van klei via diverse analytische technieken tot de fabricageprocessen en de analyse van het gebruik door middel van residu- en isotopenonderzoek. ### 3.1 Aardewerk: oorsprong De oorsprong van aardewerk wordt onderzocht aan de hand van verschillende analytische methoden om de herkomst van de gebruikte klei te bepalen [20](#page=20). #### 3.1.1 Petrografisch onderzoek Dit onderzoek analyseert slijpplaten van aardewerk om de mineralogische samenstelling te bepalen. Op basis hiervan kunnen aardewerkmonsters in verschillende groepen worden ingedeeld. Er werden vier hoofdgroepen geïdentificeerd [20](#page=20) [22](#page=22): * **Groep 1a**: Kenmerkt zich door circa 80% mineraal (kwarts, ijzeroxiden, muscoviet) en 20% klei [22](#page=22). * **Groep 1b**: Vergelijkbaar met groep 1a, maar met een fijnere korrelstructuur, wat kan duiden op een voorbehandeling of zuivering van de klei [22](#page=22). * **Groep 1c**: Vergelijkbaar met groep 1a, maar met een andere matrix en kleur, mogelijk als gevolg van oxiderende bakking [22](#page=22). * **Groep 2**: Bestaat voor ongeveer 60% uit mineralen, vergelijkbaar met groep 1, maar zonder muscoviet [22](#page=22). #### 3.1.2 Chemisch onderzoek Chemische analyses worden uitgevoerd om de elementaire samenstelling van het aardewerk te bepalen. Technieken zoals X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF) en Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) worden hiervoor gebruikt. XRF kan bijvoorbeeld de relatieve percentages van verschillende oxiden, zoals magnesium oxide (MgO) en kalium oxide (K2O), visualiseren en vergelijken tussen verschillende groepen aardewerk [20](#page=20) [23](#page=23). #### 3.1.3 Diatomeeënonderzoek Dit type onderzoek analyseert de microfossielen van diatomeeën die in de klei aanwezig kunnen zijn. Deze microscopische algen kunnen specifieke geografische en omgevingscondities weerspiegelen, wat helpt bij het lokaliseren van de klei-ontsluitingen [20](#page=20) [27](#page=27). #### 3.1.4 Molluskenonderzoek De analyse van molluskenresten in aardewerk, zoals gevonden in Swifterbant-aardewerk, kan inzicht geven in de omgeving waarin de klei werd gewonnen. Afdrukken van specifieke weekdieren kunnen dienen als geografische indicators [26](#page=26). ### 3.2 Aardewerk: fabricage Het fabricageproces van aardewerk omvat meerdere stappen, van de voorbereiding van de klei tot het bakken van het eindproduct [28](#page=28). #### 3.2.1 Zuiveren van de klei Het proces begint met het zuiveren van de gewonnen klei. Gedroogde klei kan worden gebroken en vervolgens gezeefd om onzuiverheden te verwijderen [29](#page=29). #### 3.2.2 Toevoeging van verschralers Na het zuiveren worden verschralers aan de klei toegevoegd om de eigenschappen ervan te verbeteren, zoals het voorkomen van krimp en scheurvorming tijdens het drogen en bakken. Er worden zowel organische als minerale verschralers gebruikt (#page=30, 32) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Organische verschralers**: Omvatten materialen zoals gras, stro en mos. Been werd ook vermeld als mogelijke organische verschraler [30](#page=30). * **Minerale verschralers**: Deze kunnen bestaan uit chamotte (gebakken kleifragmenten), zand of silex/kwarts [31](#page=31). #### 3.2.3 Modelleren van de pot De gemodelleerde klei wordt vervolgens gevormd tot een pot. Dit kan op verschillende manieren gebeuren [32](#page=32): * **Handgevormd aardewerk**: Dit omvat technieken zoals het opbouwen van de pot uit kleilobben of de "spiral coiling" techniek, waarbij de wanden worden opgebouwd uit spiraalvormige koorden klei [33](#page=33) [34](#page=34). * **Gedraaid aardewerk**: Dit proces maakt gebruik van een pottenbakkerswiel, dat zowel langzaam als snel kan zijn (#page=38, 39) [38](#page=38) [39](#page=39). #### 3.2.4 Bakken van de pot Het bakken van de gevormde objecten is een cruciale stap in het fabricageproces. Dit gebeurt in ovens en kan onder verschillende omstandigheden plaatsvinden [41](#page=41): * **Oxiderende bakking**: Hierbij is voldoende zuurstof aanwezig, wat leidt tot kenmerkende kleuren [41](#page=41). * **Reducerende bakking**: Hierbij is er een tekort aan zuurstof, wat eveneens specifieke kleurveranderingen teweegbrengt [41](#page=41). Verschillende soorten ovens werden gebruikt: * **Veldovens**: Eenvoudige, vaak geïmproviseerde structuren die ter plekke werden gebouwd [44](#page=44). * **Koepelovens**: Deze ovens zijn permanent en kunnen zowel verticaal als horizontaal georiënteerd zijn (#page=46, 49) [46](#page=46) [49](#page=49). ### 3.3 Aardewerk: gebruik Het analyseren van het gebruik van aardewerk biedt inzicht in de activiteiten en het dieet van de gebruikers. Dit wordt voornamelijk onderzocht aan de hand van residuanalyses en stabiele isotopenanalyse [50](#page=50) [51](#page=51). #### 3.3.1 Analyse van (voedsel)residuen * **Food crusts**: Residuen die aan de binnen- en buitenzijde van aardewerk bewaard zijn gebleven. Deze kunnen direct zichtbaar zijn op de scherven (#page=52, 53) [51](#page=51) [52](#page=52) [53](#page=53). * **Geabsorbeerd residu**: Voedselresten die in de potsscherven zijn getrokken en daar bewaard zijn gebleven [51](#page=51). #### 3.3.2 Stabiele Isotopen Analyse (Bulk) Stabiele Isotopen Analyse, specifiek de analyse van koolstof-13 ($\delta^{13}$C) en stikstof-15 ($\delta^{15}$N), kan informatie verschaffen over het dieet [54](#page=54). * Verschillen in $\delta^{13}$C-waarden kunnen duiden op de consumptie van planten met verschillende fotosynthesepaden (C3 vs. C4) [54](#page=54). * Verschillen in $\delta^{15}$N-waarden geven inzicht in de positie van een organisme binnen de voedselketen, waarbij hogere waarden wijzen op een hogere trofische status (bv. vlees of vis) [54](#page=54). * Grafische weergaven van $\delta^{15}$N en $\delta^{13}$C waarden kunnen onderscheid maken tussen verschillende voedselbronnen zoals planten, vlees en vis in het dieet van de gebruikers van het aardewerk [55](#page=55). #### 3.3.3 Chromatografische technieken * **Gaschromatografie-massa spectrometrie (GC-MS)**: Deze techniek kan specifieke moleculen identificeren, zoals vismarkers, die wijzen op het gebruik van vis in bereidingen [57](#page=57). * **Gaschromatografie-combustie-isotopenresonantie-massaspectrometrie (GC-c-IRMS)**: Een geavanceerdere techniek die naast moleculaire identificatie ook isotopische informatie kan verschaffen, bijvoorbeeld voor het identificeren van vismarkers [58](#page=58). --- # Metaalbewerking: van ontginning tot fabricage Dit onderwerp behandelt het proces van metaalbewerking, beginnend bij de ontginning van metalen en hun eigenschappen, tot en met de diverse fabricagetechnieken die worden toegepast om metaalproducten te creëren. ### 4.1 Ontginning van metalen Metalen komen voor in verschillende vormen, waaronder als natuurlijke mineralen. Voorbeelden hiervan zijn ijzererts, zoals limoniet, klappersteen en ijzerhoudende zandsteen. Echter, sommige metalen bestaan niet als natuurlijke mineralen, maar zijn het resultaat van kunstmatige legeringen [61](#page=61) [62](#page=62). #### 4.1.1 Belangrijke metalen en legeringen * **IJzer:** Een veelvoorkomend metaal dat uit ijzererts gewonnen wordt [61](#page=61). * **Koper:** Een essentieel metaal dat gebruikt wordt in legeringen [74](#page=74). * **Tin:** Een ander metaal dat, met een relatief laag smeltpunt van ongeveer 232 graden Celsius, belangrijk is voor legeringen [63](#page=63) [74](#page=74). * **Zink:** Heeft een smeltpunt van 419 graden Celsius en verdampt al bij relatief lage temperaturen [63](#page=63). * **Goud:** Heeft een smeltpunt van 1064 graden Celsius [63](#page=63). #### 4.1.2 Legeringen Legeringen zijn mengsels van metalen, die worden gemaakt om specifieke eigenschappen te verkrijgen. Belangrijke legeringen die in dit onderwerp aan bod komen zijn: * **Brons:** Een legering van koper en tin [62](#page=62) [74](#page=74) [75](#page=75). * **Messing:** Een legering van koper en zink [62](#page=62). * **Staal:** Een legering van ijzer en koolstof [62](#page=62) [84](#page=84). #### 4.1.3 Kenmerken van metalen Metalen vertonen diverse kenmerken die bepalend zijn voor hun toepassingen: * Hardheid [63](#page=63). * Broosheid [63](#page=63). * Resistentie tegen corrosie [63](#page=63). * Smeltpunt [63](#page=63). * Goud: 1064 °C [63](#page=63). * Koper: 1083 °C [63](#page=63). * Tin: 232 °C [63](#page=63). * Zink: 419 °C [63](#page=63). * IJzer: 1538 °C [63](#page=63). #### 4.1.4 Analysetechnieken voor metaalherkomst Wetenschappelijke technieken worden gebruikt om de herkomst en samenstelling van metalen te analyseren. Loodisotopenanalyse is een voorbeeld van zo'n techniek. Moderne technieken zoals röntgenfluorescentie (XRF) en micro-computertomografie (µCT) worden ook toegepast, met name in archeologisch onderzoek van bronstijdobjecten [66](#page=66) [67](#page=67) [85](#page=85). ### 4.2 Fabricage van metalen Het fabricageproces van metalen omvat verschillende stappen, van het smelten tot de uiteindelijke afwerking [70](#page=70). #### 4.2.1 Smelten en legeren Het smelten van metalen is een cruciale eerste stap in de fabricage. Dit proces vereist hoge temperaturen, vaak bereikt met behulp van brandstoffen zoals houtskool [74](#page=74). * **Smeltpunt koper:** 1083 °C [74](#page=74). * **Smeltpunt tin:** circa 232 °C [74](#page=74). Het legeren van metalen, zoals het maken van brons uit koper en tin, vindt plaats tijdens het smeltproces [74](#page=74) [75](#page=75). #### 4.2.2 Smeden Smeden is een techniek om metalen in de gewenste vorm te brengen door middel van bewerken, zoals hameren, snijden en polijsten. Dit kan zowel bij hoge temperaturen (warm smeden) als bij kamertemperatuur (koud smeden) plaatsvinden [70](#page=70) [76](#page=76) [77](#page=77) [84](#page=84). * **Ontlaten (annealing):** Een warmtebehandeling die vaak onderdeel is van het smeedproces om het metaal zachter en beter bewerkbaar te maken [70](#page=70). #### 4.2.3 Gieten Gieten is een fabricagetechniek waarbij gesmolten metaal in een mal wordt gegoten om het de gewenste vorm te geven. Er zijn verschillende gietvormen [70](#page=70): * **Open gietvorm** [78](#page=78). * **Gesloten gietvorm** [78](#page=78). * **Verloren was techniek:** Een methode waarbij een model van was wordt gebruikt, dat na het omhullen met een gietmateriaal, wordt weggesmolten voordat het metaal wordt ingegoten [78](#page=78). #### 4.2.4 IJzerproductie en verslakken De productie van ijzer kent specifieke processen, waaronder het zuiveren van ijzererts door middel van verslakken [79](#page=79). * **Verslakken:** Een proces dat begint bij circa 1100 °C en waarbij vloeibare ijzerslakken worden gevormd en gescheiden van het zuivere ijzer [79](#page=79) [81](#page=81). * **Laagoven:** Een type oven dat gebruikt wordt voor processen zoals verslakken [79](#page=79). * **Smeedijzer:** Een vorm van puur ijzer, ook wel wolf genoemd, dat gescheiden is van slakken [80](#page=80). > **Tip:** De productie van smeedijzer is zeer energie-intensief. Voor 1 kilogram smeedijzer is bijvoorbeeld 13 kilogram ijzererts, 130 kilogram houtskool en 760 kilogram hout nodig [82](#page=82). #### 4.2.5 Hoogovens en gietijzer Vanaf de 14e eeuw werden hoogovens ontwikkeld voor de productie van ijzer. Deze ovens maakten de productie van gietijzer mogelijk [83](#page=83). * **Gietijzer:** Een legering van ijzer die met behulp van hoogovens wordt geproduceerd. Deze technologie was al vanaf de 6e eeuw na Christus bekend in China [83](#page=83). #### 4.2.6 Verdere bewerking en analyse Na de primaire fabricagestappen volgen vaak verdere bewerkingen voor decoratie en fijnere afwerking. Technieken zoals warm en koud hameren worden gebruikt, naast het bewerken van legeringen zoals zilver-koper. Metallografische microscopie is een techniek die gebruikt wordt om de microstructuur van metalen, zoals smeedijzer en staal, te bestuderen [70](#page=70) [84](#page=84). --- # Glas en examenvoorbereiding Dit onderdeel behandelt de basisprincipes van glasproductie door het verlagen van het smeltpunt van silica met soda en geeft inzicht in de examenvereisten. ### 5.1 Glasproductie Glas wordt geproduceerd door silica te verhitten tot zeer hoge temperaturen. Het smeltpunt van zuivere silica is 1723 °C. Om dit proces efficiënter en toegankelijker te maken, wordt het smeltpunt van silica verlaagd door de toevoeging van soda (natriumcarbonaat). Deze toevoeging kan het smeltpunt van het mengsel reduceren tot circa 800 °C [86](#page=86). ### 5.2 Examenvoorbereiding Voor het examen met betrekking tot dit onderwerp is een gecombineerde voorbereiding essentieel. Het examen zal bestaan uit verschillende vraagtypen [87](#page=87): * Open vragen [87](#page=87). * Detailvragen [87](#page=87). * Vragen gebaseerd op afbeeldingen [87](#page=87). * Casussen die in de les zijn besproken [87](#page=87). Om je optimaal voor te bereiden, dien je gebruik te maken van de volgende bronnen [87](#page=87): * Slides van de colleges [87](#page=87). * Informatie uit de lessen [87](#page=87). * De syllabus [87](#page=87). * Het handboek [87](#page=87). > **Tip:** Zorg ervoor dat je zowel de theoretische concepten achter glasproductie begrijpt als de specifieke voorbeelden en casussen die tijdens de lessen zijn behandeld, aangezien deze deel uitmaken van het examenmateriaal [87](#page=87). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Productiesequentie (chaîne opératoire) | De studie van de opeenvolgende handelingen die betrokken zijn bij de productie van artefacten, beginnend bij de winning van de grondstof, via vervaardiging en gebruik, tot de uiteindelijke afdanking van het object. | | Natuurlijke grondstoffen | Materialen die rechtstreeks uit de natuur worden gewonnen en gebruikt voor de productie van objecten, zoals steen, hout, bot, gewei en schelpen. | | Synthetische materialen | Materialen die door menselijke bewerking en transformatie van natuurlijke of andere materialen worden gemaakt, zoals aardewerk, metaal, glas en plaaster. | | Vuurdomesticatie | Het proces waarbij vuur onder controle wordt gebracht en regelmatig wordt gebruikt voor diverse doeleinden, zoals warmte, koken, en technologische processen. Dit omvat verschillende fasen, van gewenning aan vuur tot gecontroleerd en seizoensgebruik. | | Hittebehandeling van gesteenten | Een techniek waarbij gesteente, vaak voor de productie van gereedschappen, wordt blootgesteld aan hitte om de eigenschappen ervan te verbeteren, zoals het vergemakkelijken van het bewerken of het verbeteren van de scherpte. | | Aardewerk | Een object gemaakt van gebakken klei. De productie omvat ontginning, zuivering, toevoeging van verschralers, modelleren en bakken. | | Petrografisch onderzoek | Een analyse van slijpplaten van aardewerk of gesteente om de minerale samenstelling en de structuur van het materiaal te bepalen, wat helpt bij het vaststellen van de herkomst. | | Chemisch onderzoek (XRF, LA-ICP-MS) | Technieken zoals röntgenfluorescentiespectrometrie (XRF) en Laser Ablatie Inductief Gekoppeld Plasma Massa Spectrometrie (LA-ICP-MS) die de elementaire samenstelling van materialen analyseren om de herkomst of productiemethoden te achterhalen. | | Diatomeeënonderzoek | Onderzoek naar diatomeeën (eencellige algen) die in kleiafzettingen kunnen voorkomen. Hun aanwezigheid en soort kunnen aanwijzingen geven over de omgeving waar de klei werd afgezet, zoals mariene of rivieromgevingen. | | Voedselresidu op potscherf | Restanten van voedsel die na verloop van tijd zijn geabsorbeerd in de poreuze structuur van aardewerk. Analyse hiervan kan informatie verschaffen over de gebruikte inhoud van het aardewerk. | | Stabiele isotopenanalyse (Bulk, GC-c-IRMS) | Een techniek die de verhoudingen van stabiele isotopen (zoals koolstof en stikstof) in organische resten analyseert. Dit kan informatie geven over het dieet van de gebruikers van het aardewerk of de aard van het verwerkte materiaal. GC-c-IRMS is specifiek voor de analyse van organische verbindingen. | | Metaal | Een groep chemische elementen die typisch glanzend, geleidend en vervormbaar zijn. Voorbeelden zijn goud, koper, tin, zink en ijzer. | | Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met één of meer andere elementen, om materialen met verbeterde eigenschappen te creëren, zoals brons (koper en tin) of staal (ijzer en koolstof). | | Smelten | Het proces waarbij een vaste stof, meestal een metaal, wordt verhit tot boven zijn smeltpunt om het vloeibaar te maken, wat nodig is voor gieten of legeren. | | Smeden | Een bewerkingstechniek waarbij metaal wordt gevormd door het te hameren, snijden of polijsten, vaak bij verhoogde temperaturen (warm smeden) of bij kamertemperatuur (koud smeden). | | Gieten | Het proces waarbij vloeibaar metaal in een mal wordt gegoten om een object met een specifieke vorm te creëren nadat het metaal is gestold. | | Verslakken | Het proces van het zuiveren van ijzererts door het te verhitten tot hoge temperaturen, waardoor slakken (onzuiverheden) zich scheiden van het gesmolten ijzer. | | Glas | Een amorfe, vaste stof die doorgaans ontstaat door het smelten van zand (silica) met een fluxmiddel zoals soda, gevolgd door snelle afkoeling. |

# Het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagramma is een fase­diagram dat de structuur en eigenschappen van ijzer­koolstoflegeringen, zoals staal en gietijzer, weergeeft als functie van temperatuur en koolstofgehalte [30](#page=30). ## 1. Het ijzer-koolstofdiagramma ### 1.1 Zuiver ijzer Bij zuiver ijzer worden verschillende kristalroosters onderscheiden afhankelijk van de temperatuur [30](#page=30). * **α-ijzer (alfa-ijzer):** Kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster. Verliest magnetische eigenschappen bij 768 °C [30](#page=30). * **γ-ijzer (gamma-ijzer):** Kubisch vlakken gecentreerd rooster. Ontstaat bij 906 °C [30](#page=30). * **δ-ijzer (delta-ijzer):** Kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster. Ontstaat bij 1401 °C [30](#page=30). Zuiver ijzer smelt bij 1528 °C. Tijdens het stollen en afkoelen vinden omgekeerde fase­overgangen plaats bij nagenoeg dezelfde temperaturen, waarbij de eigenschappen van het ijzer veranderen [30](#page=30). ### 1.2 IJzer met koolstof Staal en gietijzer bevatten koolstof, wat een grote invloed heeft op de eigenschappen. Koolstof kan in gebonden toestand (cementiet, Fe₃C) of in vrije toestand voorkomen [30](#page=30). * **Cementiet (Fe₃C):** IJzercarbide, met een vaste samenstelling van 93,3 % ijzer en 6,67 % koolstof [30](#page=30). * **Ferriet:** IJzer met een zeer laag koolstofgehalte (kleiner dan 0,03 %) [30](#page=30). In staal (maximaal 1,9 % koolstof) komt koolstof voornamelijk in gebonden toestand voor, terwijl in gietijzer vrije koolstof voorkomt. IJzer-koolstoflegeringen met meer dan 6,67 % koolstof zijn technisch niet interessant [30](#page=30). ### 1.3 Fasen en gebieden in het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagramma toont de fasen die aanwezig zijn bij verschillende temperaturen en koolstofgehaltes [30](#page=30). #### 1.3.1 Vloeibaar gebied en begin van stolling Boven de lijn ABCD zijn alle ijzer-koolstofmengsels vloeibaar [31](#page=31). * Bij vloeibare mengsels met 0 % tot 4,3 % koolstof ontstaan bij aanvang van stolling γ-mengkristallen (austeniet) in de vloeistof (gebied I). Austeniet heeft een kubisch vlakken gecentreerd rooster [31](#page=31). * Punt E (1145 °C) geeft de maximale oplosbaarheid van koolstof in ijzer aan (1,7 %) [31](#page=31). * Bij legeringen met 4,3 % tot 6,67 % koolstof ontstaan, onder de lijn CD, cementietkristallen in de vloeistof (gebied II) [31](#page=31). #### 1.3.2 Solidus en vaste gebieden De lijn AECF is de solidus; onder deze temperaturen zijn alle legeringen vast [31](#page=31). * **Gebied III:** Legeringen met 0 % tot 1,7 % koolstof zijn onder de lijn AE opgebouwd uit vaste γ-mengkristallen (austeniet) [31](#page=31). * Bij koolstofgehaltes van 0 % tot 0,86 % verandert het kristalrooster van ijzer tijdens afkoeling van kubisch vlakken gecentreerd naar kubisch ruimtelijk gecentreerd (lijn GS). De omzetting is voltooid bij 721 °C [31](#page=31). * **Gebied IV (austeniet + ferriet):** In dit gebied zijn austeniet- en ferrietkristallen aanwezig [31](#page=31). * Bij 0,86 % koolstof ontstaat bij 721 °C een eutecticum van ferriet en cementiet, **perliet** genoemd. Perliet is een lamellair mengsel van fijne ferriet- en cementietkristallen [31](#page=31). * Bij 0,86 % tot 1,7 % koolstof ontstaat bij langzame afkoeling een structuur met perliet en cementiet [31](#page=31). * Bij 4,3 % koolstof ontstaat een eutecticum van austeniet en cementiet, **ledeburiet** genoemd. Dit is een mengsel van fijne kristallen, waarbij witte deeltjes cementiet en donkere deeltjes austeniet zijn [32](#page=32). * **Gebied IV (austeniet + cementiet):** In dit gebied zijn naast elkaar austeniet- en cementietkristallen aanwezig, omgeven door ledeburiet [32](#page=32). * **Gebied V (cementiet + ledeburiet):** Hier ontstaan cementiet en ledeburiet naast elkaar [32](#page=32). * Een mengsel van ferriet en perliet is te zien in figuur 4.16g [32](#page=32). ### 1.4 Gevolgen van koolstofgehalte in ongelegeerd staal Ongelegeerd staal bevat voornamelijk ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen afhangen van het koolstofgehalte [33](#page=33). * **Toenemend koolstofgehalte leidt tot:** 1. Toename van de treksterkte [33](#page=33). 2. Afname van de rek [33](#page=33). 3. Toename van de hardheid [33](#page=33). 4. Afname van de taaiheid [33](#page=33). Staal met meer dan 0,35 % koolstof is hardbaar [33](#page=33). ### 1.5 Ongewenste elementen in staal Ongelegeerd staal bevat naast koolstof ook kleine hoeveelheden andere elementen zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor [33](#page=33). * **Fosfor (P) en zwavel (S)** worden als schadelijk beschouwd omdat ze de treksterkte nadelig beïnvloeden en de lasbaarheid verminderen [33](#page=33). * De algemene maximale gehaltes zijn: maximaal 0,06 % zwavel (S) en maximaal 0,06 % fosfor (P) [33](#page=33). ### 1.6 Overige elementen en gelegeerd staal Elementen die onopzettelijk in het staal komen, mogen bepaalde maximale waarden niet overschrijden. Als er van bepaalde elementen (aangegeven met •) twee of meer aanwezig zijn, mag hun totale percentage niet meer bedragen dan 70 % van de som van de maximale grenswaarden [33](#page=33). * Er wordt gesproken van **gelegeerd staal** als het elementen bevat waarvan het gehalte hoger is dan de in figuur 6.2 genoemde grenswaarden [33](#page=33). > **Tip:** Het ijzer-koolstofdiagramma is een cruciaal hulpmiddel voor het begrijpen van de microstructurele veranderingen die plaatsvinden tijdens de warmtebehandeling en verwerking van staal en gietijzer. Concentreer je op de belangrijke punten zoals de eutectische en eutectoïde temperaturen en de fasen die in de verschillende gebieden voorkomen. --- # algemene eigenschappen van ongelegeerd staal Ongelegeerd staal kenmerkt zich door een hoofdbestanddeel van ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen sterk afhankelijk zijn van het koolstofgehalte en de aanwezigheid van ongewenste elementen [33](#page=33). ### 1.1 Basiscomponenten en invloed van koolstof Ongelegeerd staal bestaat primair uit ijzer en koolstof. De mechanische eigenschappen van deze staalsoorten worden direct beïnvloed door het koolstofgehalte [33](#page=33). #### 1.1.1 Effecten van toenemend koolstofgehalte Bij een toenemend koolstofgehalte worden de volgende veranderingen in de mechanische eigenschappen waargenomen: * De treksterkte neemt toe [33](#page=33). * De rek neemt af [33](#page=33). * De hardheid neemt toe [33](#page=33). * De taaiheid neemt af [33](#page=33). #### 1.1.2 Hardbaarheid Staal met meer dan 0,35 % koolstof wordt als hardbaar beschouwd [33](#page=33). ### 1.2 Overige elementen in ongelegeerd staal Naast koolstof bevat ongelegeerd staal ook kleine hoeveelheden van andere elementen, zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor. Deze elementen komen er meestal in tijdens het bereidingsproces en zijn niet opzettelijk toegevoegd [33](#page=33). #### 1.2.1 Schadelijke elementen Fosfor (P) en zwavel (S) worden beschouwd als schadelijke en ongewenste elementen omdat ze: * Een negatieve invloed hebben op de treksterkte [33](#page=33). * De lasbaarheid verminderen [33](#page=33). #### 1.2.2 Grenswaarden voor ongewenste elementen In het algemeen bevat staal niet meer dan 0,06 % zwavel (S) en maximaal 0,06 % fosfor (P). Overige elementen die onopzettelijk in het staal zijn gekomen, mogen bepaalde maximale waarden niet overschrijden [33](#page=33). > **Tip:** Bij de aanwezigheid van twee of meer elementen die met een • zijn aangegeven in figuur 6.2, mag het totale percentage ervan niet meer bedragen dan 70% van de som van de maximale grenswaarden [33](#page=33). ### 1.3 Definitie van gelegeerd staal Er is sprake van gelegeerd staal wanneer het elementen bevat waarvan het gehalte hoger is dan de vastgestelde grenswaarden [33](#page=33). ### 1.4 Staal voor algemeen gebruik Staal voor algemeen gebruik wordt gedefinieerd door specifieke mechanische eigenschappen, chemische samenstelling en het ontbreken van voorgeschreven warmtebehandelingen [34](#page=34). #### 1.4.1 Mechanische eigenschappen De mechanische eigenschappen van staal voor algemeen gebruik moeten binnen bepaalde grenzen vallen, waaronder: * Minimale treksterkte $R_m \le 690$ N/mm² [34](#page=34). * Minimale vloeigrens $R_e \ge 360$ N/mm² [34](#page=34). * Minimale rek $A \ge 26$ % [34](#page=34). * Rockwell-hardheid $\ge 60$ HRB [34](#page=34). #### 1.4.2 Chemische samenstelling De chemische samenstelling moet voldoen aan: * Een koolstofgehalte van gelijk aan of hoger dan 0,1 % [34](#page=34). * Fosfor- en zwavelgehaltes die niet hoger mogen zijn dan 0,05 % [34](#page=34). #### 1.4.3 Toepassingen Staal voor algemeen gebruik is geschikt voor diverse toepassingen waarvoor geen hogere eisen aan het materiaal worden gesteld dan de eerder genoemde [34](#page=34). ### 1.5 Kwaliteitsstaal Kwaliteitsstaal voldoet aan één of meer kwaliteitseisen die betrekking kunnen hebben op natuurkundige, mechanische, scheikundige of technologische eigenschappen [35](#page=35). #### 1.5.1 Natuurkundige eigenschappen Eisen kunnen gesteld worden aan natuurkundige eigenschappen, zoals elektrische eigenschappen (geleidbaarheid) en magnetische eigenschappen (magnetische verliezen, magnetische inductie) [35](#page=35). #### 1.5.2 Mechanische eigenschappen Voor specifieke toepassingen, zoals stoomketels en drukvaten, moeten de mechanische eigenschappen afgestemd zijn op zowel lage als hoge temperaturen [35](#page=35). #### 1.5.3 Scheikundige eigenschappen De weerstand tegen corrosie door atmosferische invloeden is een belangrijke scheikundige eigenschap. De chemische samenstelling is vaak gebonden aan grenzen voor koolstof-, zwavel-, fosfor- en stikstofgehaltes [35](#page=35). #### 1.5.4 Technologische eigenschappen Eisen kunnen gesteld worden aan technologische eigenschappen zoals: * Koude vervormbaarheid (koudwalsen, koud stuiken, koudtrekken van draad en staven, kou flenzen, dieptrekken) [35](#page=35). * Geschiktheid voor buisvervaardiging [35](#page=35). * Lasbaarheid [35](#page=35). * Smeedbaarheid (bijvoorbeeld in matrijzen) [35](#page=35). * Mate van verspaanbaarheid in automatische draaimachines zonder toevoeging van speciale elementen [35](#page=35). * Geschiktheid voor warmtebehandelingen (niet alle kwaliteitsstaalsoorten zijn hiervoor geschikt) [35](#page=35). * Oppervlaktegesteldheid en afwerking van plaat en strip [36](#page=36). ### 1.6 Speciaalstaal (ongelegeerd) Onder ongelegeerd speciaalstaal verstaan we staal dat aan specifieke eisen voldoet en bereid wordt voor een bijzonder gebruiksdoel [36](#page=36). #### 1.6.1 Eisen aan speciaalstaal Speciaalstaal moet voldoen aan nauwkeurig omschreven eisen, waaronder: * Een gewaarborgde kerfslagwaarde voor gehard dan wel gehard en ontlaten staal [36](#page=36). * Een gewaarborgde chemische samenstelling, met onderscheid tussen: * Staal met fosfor- en zwavelgehalte gelijk aan 0,03 % [36](#page=36). * Staal met fosfor- en zwavelgehalte gelijk aan 0,02 % [36](#page=36). * Staal met een koolstofgehalte groter of gelijk aan 0,6 % en fosfor- en zwavelgehaltes gelijk aan 0,025 % [36](#page=36). * Zeer gunstige elektrische en magnetische eigenschappen die beter zijn dan die van kwaliteitsstaal [36](#page=36). * Het (zo goed als) ontbreken van verontreinigingen (metalen en niet-metalen) [36](#page=36). #### 1.6.2 Gebruiksdoelen van speciaalstaal Speciaalstaal wordt bereid en genoemd naar het specifieke gebruiksdoel, zoals: * Gereedschapsstaal [36](#page=36). * Veredelstaal [36](#page=36). * Carboneerstaal [36](#page=36). * Nitreer staal [36](#page=36). * Staal voor vlam- en inductieharden [36](#page=36). * Automatenstaal (ongelegeerd) [36](#page=36). --- # methoden voor het verkrijgen van staalsoorten met hoge zuiverheid Dit hoofdstuk behandelt de methoden die worden gebruikt om staal te raffineren en de zuiverheid ervan te verhogen, wat essentieel is voor hoogwaardige toepassingen [11](#page=11) [9](#page=9). ### 3.1 Chemische samenstelling van staal Staal is per definitie een legering van ijzer en koolstof met een koolstofgehalte tussen 0,06% en 2,0%. Zuiver ijzer, met minder dan 0,005% koolstof, is zacht en ductiel, en wordt enkel voor specifieke toepassingen gebruikt. Ruwijzer, dat een koolstofgehalte van 4% tot 5% kan hebben, bevat ook aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor, mangaan en niet-metallische insluitsels die de eigenschappen van staal negatief beïnvloeden. Het proces van staalbereiding richt zich daarom op het verwijderen van deze verontreinigingen, voornamelijk door middel van oxidatie [9](#page=9). ### 3.2 Raffinageprocessen Er zijn drie hoofdprocessen voor de zuivering van ruwijzer tot staal: * **Het oxystaalproces:** Dit is een peervormig stalen vat dat gevuld wordt met ongeveer 25% schroot en 75% gesmolten ruwijzer. Zuivere zuurstof wordt met hoge snelheid op het metaalbad geblazen, waarbij de reactiewarmte de benodigde hitte levert. Dit proces is zeer snel en economisch voordelig, waardoor het het belangrijkste staalraffinageproces is geworden. Driehonderd ton staal kan in ongeveer 25 minuten geraffineerd worden [11](#page=11). * **Het haardovenproces (Siemens-Martin-proces):** Dit proces, dat al sinds 1900 de standaard was, gebruikt gesmolten ruwijzer en schroot. De oven wordt verwarmd door brandstof en lucht te verbranden boven het metaalbad. Lucht wordt toegevoerd om de koolstof te oxideren, en zuurstoflansen bevorderen dit proces. Een lading van 300 ton kan ongeveer 8 uur duren om te raffineren [10](#page=10). * **Het elektro-ovenproces:** Elektro-ovens worden voornamelijk geladen met schroot, dat gesmolten wordt door een elektrische boog tussen de lading en grafiet elektroden. Deze ovens verbruiken veel energie, maar het raffinageproces verloopt sneller dan in een haardoven en levert over het algemeen zuiverder staal. Vóór de jaren zeventig werden deze ovens vooral gebruikt voor de bereiding van bijzondere legeringen [10](#page=10). ### 3.3 Staalsoorten met hoge zuiverheid Moderne industrieën stellen steeds hogere eisen aan de betrouwbaarheid van onderdelen, wat leidt tot de vraag naar staalsoorten geproduceerd met bijzondere smeltprocessen. De sterkte, vermoeiingslevensduur en taaiheid van staal zijn nauw verbonden met het gehalte en de grootte van niet-metallische insluitsels, zoals oxiden, silicaten en sulfiden. De zuiverheid op microschaal kan worden bepaald door het aantal insluitsels onder een microscoop te tellen [11](#page=11). De methoden om insluitsels te verwijderen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: * **Vacuümsmelten of omsmelten:** * **Vacuümontgassen:** Gesmolten staal wordt in een grote luchtledige ruimte geroerd en tot ingots gegoten [12](#page=12). * **Vacuüm boogomsmelten:** Dit is de meest gebruikte methode. Cylindrische ingots worden opnieuw gesmolten door een boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een met watergekoelde koperen vorm in een vacuüm. Elke druppel die langs de boog valt, wordt blootgesteld aan het vacuüm, wat zeer effectief is voor het verwijderen van insluitingen door de hoge energie [12](#page=12). * **Vacuüminductiesmelten:** Vast schroot of vloeibare ladingen worden in een vuurvast vat verhit met hoogfrequente inductiestromen in een vacuüm. Convectiestromen zorgen voor menging, en de ingots worden in hetzelfde vacuüm gegoten [12](#page=12). * **Elektronenstraalraffinage:** Gesmolten metaal wordt in een vacuümruimte via een stortgoot in een ingot-vorm gegoten en bestraald met een elektronenbundel, waardoor verontreinigingen verdampen [13](#page=13). * **Chemische reactie:** * **Argon-zuurstofontkoling:** Argon en zuurstof worden in een gesmolten lading geblazen om koolstof, zwavel en andere verontreinigingen te verminderen. Argon zorgt voor beroering, verfijnt oxiden en bevordert de verwijdering van opgeloste gassen [13](#page=13). * **Elektroslakomsmelting:** Vergelijkbaar met vacuüm boogomsmelten, maar zonder vacuüm. Het staal wordt door een gesmolten slak heen omgesmolten, waarbij de slak als reinigend vloeimiddel fungeert. Er ontstaan geen krimpholten in de ingot [13](#page=13). * **Gietpanraffinage:** Vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen worden met een argonlans in gesmolten metaal geïnjecteerd. Deze reageren met verontreinigingen zoals zuurstof en zwavel. Hoewel nog niet zo effectief als andere methoden, biedt dit potentieel voor de bereiding van zeer zuivere staalsoorten zonder extreem hoge kosten [13](#page=13). ### 3.4 Gieten in ingots Na het smelten wordt het staal gegoten in een ingot-vorm. Tijdens het stollen kunnen er inhomogeniteiten en krimpeffecten optreden, bekend als segregatie en slinkholten [13](#page=13). * **Segregatie:** Ongelijke samenstelling binnen het materiaal, waarbij het eerst stolende metaal zuiverder is dan het laatst stolende [13](#page=13). * **Slinkholten:** Holtes die ontstaan als gevolg van krimp tijdens de stolling [13](#page=13). Om deze effecten te minimaliseren, worden verschillende soorten staal geproduceerd: * **Ongekalmeerd staal:** Vertoon de hoogste porositeit en sterkste segregatie [14](#page=14). * **Gedekseld staal:** Een deksel wordt op de gietvorm geplaatst om turbulentie te onderdrukken [14](#page=14). * **Halfrustig staal:** Er worden minder desoxidatiemiddelen toegevoegd dan aan gekalmeerd staal [14](#page=14). * **Gekalmeerd staal:** Er worden elementen zoals aluminium en silicium toegevoegd om opgeloste zuurstof te verwijderen, wat leidt tot een rustigere stolling. Dit staal heeft de meest homogene chemische samenstelling en bevat geen gas of slinkholten [14](#page=14). De prijs van deze staalsoorten is min of meer evenredig aan de zuiverheid, waarbij ongekalmeerd staal het goedkoopst is. Segregatie kan problemen geven bij het omvormen, omdat verschillende delen van het staal verschillende mechanische eigenschappen kunnen hebben. Gekalmeerd staal voorkomt delaminatie bij buigen en omvormen, maar is duurder en heeft vaak een slechtere oppervlakteafwerking dan ongekalmeerd staal [14](#page=14). ### 3.5 Continugieten Continugieten is een proces dat de ingot-fase overbodig maakt. Gesmolten staal wordt continu gegoten in een met watergekoelde vorm die de gewenste doorsnede heeft. Dit proces vereist gedesoxideerd (gekalmeerd) staal, omdat ongekalmeerd staal zou kolken tijdens de stolling, wat gaten zou veroorzaken. Het resulterende product wordt in stukken gesneden of verder verwerkt tot staven of dunne platen. Tegenwoordig wordt ongeveer 50% van het staal in westerse landen continu gegoten. Dit leidt tot een grotere uniformiteit in mechanische eigenschappen en de verwachting is dat segregatie en centrale insluitsels grotendeels zullen verdwijnen [15](#page=15). ### 3.6 Metaalkundige aspecten van gewalste stalen Het vervormen van staal omvat metaalkundige principes, waaronder metaalbinding en de beweging van atomen langs glijvlakken tijdens plastische vervorming. Tijdens het stollingsproces ontstaan dendritische kristallen, die na stolling korrels vormen met korrelgrenzen [17](#page=17). Bij een bepaald percentage legeringselementen kan een tweede fase worden gevormd. Een fase is een homogeen bestanddeel dat gescheiden is door een grensvlak [18](#page=18). Het verschil tussen warmgewalst en koudgewalst staal ligt in de behandeling van de korrels: * **Warmwalsen:** Ingots of continu-gietplakken worden in roodgloeiende toestand uitgewalst. De korrels rekristalliseren dynamisch, waardoor de hardheid gelijk blijft en het materiaal gemakkelijk vervormbaar blijft. Warmgewalste producten zijn zacht en hebben een geoxideerd oppervlak [19](#page=19) [20](#page=20). * **Koudwalsen:** Staal wordt na reiniging bij kamertemperatuur tussen walsrollen doorgevoerd. De korrels worden platgewalst, wat het staal harder maakt. Het materiaal moet mogelijk worden rekristalliserend gegloeid om de vervormbaarheid te herstellen. Koudgewalste stalen zijn veel sterker en hebben een betere oppervlakteafwerking [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). ### 3.7 Het gebruik van toestandsdiagrammen Toestandsdiagrammen beschrijven de structuurtoestand van materialen, wat verwijst naar de ordening van atomen, en of het materiaal zich in een gas-, vloeibare of vaste fase bevindt. Verschillende vaste fasen van hetzelfde materiaal worden allotrope materialen genoemd. Materialen kunnen mengen (één fase) of ontmengen (meerdere fasen), afhankelijk van de energieverlaging die het systeem oplevert. Temperatuur speelt een cruciale rol in het mengings- of ontmengingsproces [23](#page=23). --- Deze sectie behandelt hoe toestandsdiagrammen worden gebruikt om de evenwichtstoestanden van materialen te begrijpen, met een focus op legeringen en hun stollingstrajecten [24](#page=24). ### 3.1 Toestandsdiagrammen en hun toepassing Toestandsdiagrammen geven de evenwichtstoestand van materialen weer als functie van temperatuur en samenstelling bij een gegeven druk, meestal atmosferische druk. Deze diagrammen zijn essentieel voor het begrijpen van de eigenschappen van materialen, aangezien de toestand (vast, gemengd, ontmengd) de materiaaleigenschappen direct beïnvloedt [24](#page=24). * **Invloed van temperatuur en samenstelling:** De toestand van een materiaal is afhankelijk van zowel de samenstelling als de temperatuur [24](#page=24). * **Invloed van druk:** Ook druk kan de toestand van een materiaal beïnvloeden, zoals de transformatie van grafiet naar diamant onder druk [24](#page=24). * **Streven naar lagere energietoestanden:** Materialen streven naar een toestand met de laagste energie-inhoud, wat leidt tot diffusie totdat evenwicht is bereikt [24](#page=24). * **Evenwicht tussen toestanden:** Soms kan evenwicht bestaan tussen twee verschillende toestanden, bijvoorbeeld tussen vast en vloeibaar bij de smelttemperatuur van een metaal [24](#page=24). * **Binaire toestandsdiagrammen:** Deze diagrammen beschrijven systemen met twee componenten en tonen de toestand als functie van samenstelling en temperatuur [24](#page=24). ### 3.2 Stollingspunt van zuivere metalen Zuivere metalen hebben een scherp smeltpunt en stollingspunt. De afkoelingskromme van een zuiver metaal vertoont een duidelijk haltepunt tijdens het stollen, waarbij de temperatuur constant blijft. Boven dit punt is het metaal vloeibaar, en eronder is het vast [24](#page=24). ### 3.3 Smelt- en stollingstrajecten van metaallegeringen Metaallegeringen, samengesteld uit twee of meer metalen, vertonen een smelt- of stollingstraject in plaats van een enkel smeltpunt. Er zijn drie belangrijke mogelijkheden voor de oplosbaarheid van metalen in vaste toestand binnen legeringen [25](#page=25): 1. **Metalen zijn volledig oplosbaar in vaste toestand:** * Tijdens het stollen daalt de temperatuur continu tussen het begin- en eindpunt van het stollingstraject [25](#page=25). * De temperatuur daalt langzamer tijdens het stollen dan voor en na het proces [25](#page=25). * De legering is tijdens het stollen "brijachtig" [25](#page=25). * De gevormde legering is opgebouwd uit mengkristallen [25](#page=25). 2. **Metalen zijn niet oplosbaar in vaste toestand:** * De temperatuur daalt tijdens het stollen minder snel, en er ontstaat een haltepunt [25](#page=25). * De temperatuur blijft constant tot de gehele massa gestold is, waarna deze verder daalt [25](#page=25). * De gevormde legering bestaat uit een mengsel van kristallen van de afzonderlijke metalen [25](#page=25). 3. **Metalen zijn gedeeltelijk oplosbaar in vaste toestand:** * Dit is een combinatie van de twee voorgaande mogelijkheden. De specifieke kenmerken van het stollingstraject hangen af van de mate van gedeeltelijke oplosbaarheid en worden weergegeven in specifieke toestandsdiagrammen [25](#page=25). > **Tip:** Het begrijpen van de oplosbaarheidsgrenzen in vaste toestand is cruciaal voor het voorspellen van het stollinggedrag en de microstructuur van legeringen [25](#page=25). --- # legeren van staal Het legeren van staal omvat het toevoegen van metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om staalsoorten met verbeterde eigenschappen te verkrijgen voor specifieke toepassingen. ### 7.1 Algemeen Onder gelegeerd staal verstaan we staalsoorten die zijn gelegeerd met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) [38](#page=38). #### Doel van het legeren Het doel van het legeren van staal is om staalsoorten te verkrijgen met betere eigenschappen dan ongelegeerd staal, waardoor ze beter geschikt zijn voor een bepaald gebruiksdoel. Deze eigenschappen kunnen betrekking hebben op de mechanische, chemische of technologische eigenschappen van het staal [38](#page=38). #### Soorten gelegeerd staal Gelegeerde staalsoorten kunnen worden onderscheiden in: * **Zwak- of laaggelegeerd staal**: Hierbij bedraagt het percentage legeringsbestanddelen maximaal 5% en het koolstofgehalte niet meer dan 0,2%. Laaggelegeerd staal kan gelegeerd zijn met elementen zoals mangaan, silicium, chroom, nikkel, eventueel met een geringe hoeveelheid van andere elementen zoals molybdeen (Mo), nikkel (Ni), titaan (Ti), zirkonium (Zr), of koper (Cu) [38](#page=38). * **Gelegeerd staal**: Hierbij is het percentage legeringbestanddelen hoger dan 5%. De kwaliteiten van deze staalsoorten zijn afhankelijk van de soort en hoeveelheden van de legeringselementen, in samenhang met het koolstofgehalte [38](#page=38). #### Aanduiding van legeringen De benaming van gelegeerde staalsoorten volgt algemeen gebruikelijke benamingen en die uit het tabellenboek. Deze benamingen kunnen betrekking hebben op de legeringselementen waarmee het staal is gelegeerd, de toepassingen van het staal, of de chemische eigenschappen van het staal [38](#page=38). De metalen en niet-metalen die als legeringselementen in aanmerking komen, worden verder toegelicht in Tabel 7.1 [38](#page=38). > **Tip:** Benamingen kunnen dus gebaseerd zijn op de samenstelling, het beoogde gebruik, of specifieke chemische weerstand [38](#page=38). #### Tabel 7.1 Benamingen van gelegeerde staalsoorten (samenvatting) | Benaming naar legeringselementen | Benaming naar toepassingen | Benaming naar chemische eigenschappen | | :------------------------------- | :---------------------------------- | :------------------------------------ | | mangaanstaal | verenstaal | corrosievaststaal | | chroomstaal | automatenstaal | | | nikkelstaal | veredelstaal | | | chroom-nikkelstaal | staal voor oppervlakteharding | | | chroom-vanadiumstaal | nitreer staal | | | chroom-molybdeen staal | gereedschapsstaal | | ### 7.2 De invloed van legeringselementen Verschillende legeringselementen hebben verschillende invloeden op de eigenschappen van staallegeringen. Een gedetailleerde tabel hierover is te vinden in het tabellenboek voor metaaltechniek [40](#page=40). ### 7.3 Laaggelegeerd staal Laaggelegeerde staalsoorten hebben over het algemeen een hogere rekrens en een fijnere structuur, wat wordt bereikt met een laag koolstofgehalte (bijvoorbeeld 0,06% of lager) [40](#page=40). #### Eigenschappen van laaggelegeerd staal Er zijn laaggelegeerde staalsoorten die de volgende eigenschappen kunnen bezitten: * Een hoge of zeer hoge rekrens, variërend van circa 300 tot 900 MPa [40](#page=40). * Goed lasbaar zijn [40](#page=40). * Bestand zijn tegen extreem lage temperaturen [40](#page=40). * Goed bestand zijn tegen atmosferische corrosie [40](#page=40). Vaak is ook een combinatie van deze eigenschappen te bereiken [40](#page=40). #### Toepassingen van laaggelegeerd staal Laaggelegeerd staal wordt toegepast in: autoplaatwerk, vrachtwagenbouw, gelaste stalen bruggen, hijskranen, draglines, landbouwwerktuigen, spoorwagons, tankschepen, gelaste drukvaten, stoomketels, en tanks voor transport van propaan, butaan, ammoniak, enzovoort [40](#page=40). ### 7.4 Mangaanstaal Mangaanstaal is staal dat gelegeerd is met 1% tot circa 15% mangaan [41](#page=41). #### Eigenschappen van mangaanstaal Door het mangaangehalte bezit het staal een grote slijtvastheid. De treksterkte varieert, afhankelijk van het mangaangehalte, van 650 N/mm² tot 1000 N/mm². Mangaanstaal is hardbaar [41](#page=41). #### Toepassingen van mangaanstaal * **Laag mangaangehalte (1%... circa 3% Mn)**: Toegepast voor zwaar belaste assen, krukassen, bouten, ankerbouten, moeren, remhefbomen, enzovoort [41](#page=41). * **Hoog mangaangehalte (12%... 15% Mn)**: Dit wordt ook wel slijtvast staal genoemd en wordt toegepast voor onderdelen die sterk aan slijtage onderhevig zijn en op stoten worden belast [41](#page=41). > **Example:** Voorbeelden van toepassingen met hoog mangaangehalte zijn spoorrails, spoorwissels, en bakken voor baggermolens. Baggerbakken worden niet volledig van mangaanstaal gemaakt, maar alleen de slijtvaste delen. Gietstalen wielen voor spoorwagons krijgen velgen van mangaanstaal door middel van opkrimpen [41](#page=41). ### 7.5 Chroomstaal Chroomstaal is staal dat gelegeerd is met 1% tot circa 30% chroom [41](#page=41). #### Eigenschappen van chroomstaal Chroom geeft het staal een grote hardheid, treksterkte en taaiheid. Chroomstaal dat 11% of meer chroom bevat, is corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. De treksterkte van chroomstaal met een chroomgehalte van 11% tot 18% varieert van 50 tot 800 N/mm² [41](#page=41). #### Toepassingen van chroomstaal 1. **Chroomstaal 1% ... 8% chroom**: * Stempels, kogels en onderdelen voor kogellagers. Deze toepassingen vereisen hardheid en slijtvastheid [42](#page=42). 2. **Chroomstaal 6% ... 12% chroom**: * A. Messen, omdat deze niet mogen oxideren [42](#page=42). * B. Rollen voor rollagers, omdat deze hard en bestand moeten zijn tegen slijtage [42](#page=42). 3. **Chroomstaal 10% ... 18% chroom**: * A. Schoon voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen [42](#page=42). * B. Toepassingen in de chemische, zuivel- en voedingsmiddelenindustrie, omdat dit staal onder andere bestand is tegen zuren [42](#page=42). 4. **Chroomstaal 20% ... 30% chroom**: * Onderdelen die bestand moeten zijn tegen zeer hoge temperaturen (circa 1200 graden Celsius), bijvoorbeeld voor gasturbines [42](#page=42). --- # aluminium en zijn legeringen Dit hoofdstuk behandelt aluminium, een licht metaal met een lage soortelijke massa, en de legeringen ervan, waarbij de invloeden van legeringselementen, eigenschappen, toepassingen en bewerkbaarheid centraal staan [58](#page=58). ### 5.1 Algemene principes van aluminium Zuiver aluminium is moeilijk te bereiden en bevat doorgaans 0,2 % tot 1 % andere elementen om de sterkte-eigenschappen te verbeteren. Op blootgesteld aluminium vormt zich snel een dun, dicht oxidelaagje dat het metaal beschermt tegen verdere oxidatie [58](#page=58). #### 5.1.1 Soorten aluminium Aluminium kan worden onderverdeeld in: a) **Ongelegeerd aluminium**: Bevat 99,0 % tot 99,5 % aluminium [58](#page=58). b) **Aluminiumkneedlegeringen**: Gelegeerd met elementen zoals mangaan (Mn) tot 1 %, magnesium (Mg) 1 % tot 10 %, en koper (Cu) 0,5 % tot 4 % [58](#page=58). c) **Aluminiumgietlegeringen**: Gelegeerd met onder andere silicium (Si) 5 % tot 17 % en magnesium (Mg) tot 10 % [58](#page=58). #### 5.1.2 Doel van legeren Het legeren van aluminium heeft als doel: - Het verbeteren van de mechanische eigenschappen [58](#page=58). - Het verbeteren van de gietbaarheid [58](#page=58). #### 5.1.3 Invloeden van legeringselementen * **Koper (Cu)**: Vergroot de treksterkte en hardheid, maakt de legering hardbaar, vermindert de corrosieweerstand enigszins, en verhoogt de elektrische geleidbaarheid [58](#page=58). * **Mangaan (Mn)**: Vergroot de treksterkte slechts weinig, maar verbetert de corrosievastheid. De geleiding van warmte en elektriciteit nemen iets af [58](#page=58). * **Magnesium (Mg)**: Vergroot de treksterkte en hardheid. De geleiding van warmte en elektriciteit nemen iets af [58](#page=58). * **Silicium (Si)**: Vergroot de treksterkte, bevordert de gietbaarheid en de corrosievastheid [58](#page=58). Aluminium bevat zeer lage percentages (sporen) van andere elementen die over het algemeen de mechanische eigenschappen verbeteren. Koper en zink verminderen echter de corrosieweerstand [59](#page=59). #### 5.1.4 Eigenschappen en toepassingen Aluminium is: * Tamelijk goed bestand tegen oxidatie [59](#page=59). * Een goede warmte- en elektrische stroomgeleider; legeren vermindert deze geleiding enigszins [59](#page=59). * Niet bestand tegen soda, zeewater, zwavelzuur, zoutzuur, etc. [59](#page=59). * Zeer dun uit te walsen tot een dikte van ca. 0,006 mm, vooral ongelegeerd aluminium [59](#page=59) [61](#page=61). * Goed te anodiseren (kunstmatige oxidehuid) [59](#page=59). De specifieke eigenschappen en toepassingen van aluminium en zijn legeringen zijn afhankelijk van hun samenstelling [59](#page=59). ### 5.2 Verbeteren van mechanische eigenschappen De mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen kunnen worden verbeterd door: * **Koudvervormen** (voor kneedlegeringen) [60](#page=60). * **Warmtebehandelingen** (voor giet- en kneedlegeringen) [60](#page=60). #### 5.2.1 Koudvervormen Koudvervormen, zoals walsen, persen, forceren en dieptrekken, maakt het metaal harder en stugger, verhoogt de treksterkte en vermindert de rek. Aluminium is verkrijgbaar in platen met verschillende hardheden: zacht (Z), halfhard (HH of ½ H), ¾ hard (¾ H) en hard (H). Ongewenste hardheid, ontstaan tijdens bewerking, kan worden hersteld door zacht gloeien [60](#page=60). #### 5.2.2 Warmtebehandelingen van AI-kneedlegeringen Een voorbeeld van een warmtebehandeling voor aluminiumkneedlegeringen zoals AlCu4Mg1 omvat: 1. **Zacht gloeien**: Verwarming tot ca. 350°C gevolgd door langzame afkoeling maakt het materiaal zacht en vermindert de treksterkte, wat gemakkelijke bewerking mogelijk maakt. Dit wordt toegepast bij langdurige bewerkingen (langer dan drie uur) [61](#page=61). 2. **Homogeen gloeien (natuurlijke dispersieharding)**: Verwarming tot ca. 500°C gevolgd door snelle afkoeling maakt het materiaal tijdelijk zacht. Het materiaal wordt na ongeveer drie uur vanzelf weer hard, met volledige terugkeer naar oorspronkelijke hardheid na ca. vijf dagen. Dit proces wordt natuurlijke dispersieharding genoemd. Dit is geschikt voor kortere bewerkingstijden (korter dan drie uur) [61](#page=61). 3. **Dispersieharden (kunstmatige dispersieharding)**: Om de oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken, wordt het materiaal gedurende enige tijd verwarmd op 120°C tot 180°C, gevolgd door afkoeling [61](#page=61). Homogeen gegloeid materiaal kan, voordat natuurlijke dispersieharding optreedt, een of meerdere keren tussentijds worden gegloeid, afhankelijk van de bewerking [61](#page=61). ### 5.3 Bewerkbaarheid van aluminium Aluminium is: 1. **Goed te verspanen** [62](#page=62). 2. **Goed te vervormen in koude toestand** [62](#page=62). 3. **Zeer dun uit te walsen** tot ca. 0,006 mm, bekend als aluminiumfolie [62](#page=62). 4. **Moeilijk te solderen en te lassen** vanwege snelle oxidatie bij verhitting. Met speciale vloeimiddelen is solderen redelijk goed mogelijk; booglassen kan met argon-arc [62](#page=62). 5. **Te lijmen** als alternatief voor solderen of lassen [62](#page=62). 6. **Moeilijk te gieten** omdat het in vloeibare toestand snel gassen opneemt [62](#page=62). 7. **Goed te polijsten** [62](#page=62). Aluminiumlegeringen zijn in het algemeen goed te verspanen, maar met lagere snijsnelheden dan zuiver aluminium. Warmtebehandelde (veredelde) aluminiumlegeringen zijn minder goed te verspanen. Verschillende aluminiumkneedlegeringen zijn moeilijk koud te vervormen. Zacht- en hardsolderen is mogelijk met speciale vloeimiddelen. Veel aluminiumlegeringen zijn goed te lassen met argon-arc. Aluminium en aluminiumkneedlegeringen kunnen ook worden verbonden met lijm op kunstharsbasis [62](#page=62). ### 5.4 Handelsvormen van aluminium Ongelegeerd aluminium is verkrijgbaar in de volgende vormen: * **Platen**: Dikte 0,3 mm tot ca. 25 mm, afmetingen 2000 mm x 1000 mm, in kwaliteiten van zacht tot hard [62](#page=62). * **Aluminiumfolie**: Dikte 0,006 mm tot 0,15 mm [62](#page=62). * **Staven en draad** [62](#page=62). ### 5.5 Corrosiebestrijding bij metalen Corrosie kan worden bestreden door: 1. Weren van vocht [67](#page=67). 2. Voorkomen van aantasting door elektrolytische werking (kathodische en anodische bescherming) [67](#page=67). 3. Aanbrengen van deklagen ter isolatie van de omgeving [67](#page=67). 4. Ongevoelig maken van het metaal voor corrosie door legering [67](#page=67). 5. Beïnvloeden van contactvloeistoffen om de vorming van corrosie-elementen te voorkomen [67](#page=67). #### 5.5.1 Weren van vocht Dit kan bereikt worden door: 1. Invetten van het metaal [68](#page=68). 2. Inpakken in plasticfolie en hermetisch afsluiten (mottenballenbewerking) [68](#page=68). 3. Toepassen van dunne metaallakken [68](#page=68). #### 5.5.2 Kathodische bescherming Bij aantasting door elektrolytische werking kan kathodische bescherming worden toegepast. Hierbij worden blokken van een onedeler metaal, zoals zink, geplaatst nabij het te beschermen object. Het object (bijvoorbeeld een stalen leiding) wordt de kathode en het zinken blok de anode, die oxideert terwijl de kathode gespaard blijft. De anode moet periodiek worden vernieuwd [68](#page=68). #### 5.5.3 Anodische bescherming Bepaalde metaaloxiden, zoals aluminiumoxide, vormen een dichte laag die het metaal afsluit van de omgeving. Aluminium en zijn legeringen kunnen worden beschermd door opzettelijk een oxidelaag aan te brengen, waarbij het voorwerp als anode in een zuurbad functioneert [68](#page=68). * **Zwavelzuuranodiseren**: Gebruik van verdund zwavelzuur (10 % - 20 %) als badvloeistof vergroot de corrosieweerstand. Deze methode is niet geschikt voor geklonken en gepuntlaste constructies [68](#page=68). * **Chroomzuur-anodiseren**: Gebruik van chroomzuur als badvloeistof [68](#page=68). Na anodiseren is grondig spoelen nodig om zuurresten te verwijderen [68](#page=68). #### 5.5.4 Aanbrengen van deklagen Beschermende metaallagen (zoals zink, koper, nikkel) of niet-metalen lagen (zoals ijzermenie, lakken, bitumen) kunnen worden aangebracht op het metaal. Methoden hiervoor zijn elektrolyse, dompelen, metaalspuiten en plateren [69](#page=69). --- # Stollingsdiagrammen van metaallegeringen Stollingsdiagrammen, ook wel toestandsdiagrammen genoemd, visualiseren het stollingstraject van metaallegeringen als functie van hun samenstelling en temperatuur [27](#page=27). ### 6.1 Principes van stollen in metaallegeringen Metaallegeringen, bestaande uit twee metalen, kennen een smelttraject in plaats van een vast smeltpunt. De manier waarop deze legeringen stollen, hangt af van de oplosbaarheid van de samenstellende metalen in vaste toestand [25](#page=25): * **Volledige oplosbaarheid in vaste toestand:** Bij legeringen waarvan de componenten in vaste toestand volledig in elkaar oplosbaar zijn, daalt de temperatuur tijdens het stollen geleidelijk. De legering bevindt zich gedurende dit traject in een brijachtige toestand en vormt mengkristallen [25](#page=25). * **Geen oplosbaarheid in vaste toestand:** Bij legeringen waarbij de componenten in vaste toestand niet in elkaar oplosbaar zijn, daalt de temperatuur tijdens het stollen minder snel en ontstaat er een temperatuurhaltepunt. Pas nadat de gehele massa is gestold, daalt de temperatuur verder. De legering bestaat dan uit een mengsel van kristallen van de afzonderlijke metalen [25](#page=25). * **Gedeeltelijke oplosbaarheid in vaste toestand:** Dit is een combinatie van de voorgaande twee gevallen, waarbij de metalen in vaste toestand gedeeltelijk in elkaar oplosbaar zijn [25](#page=25). ### 6.2 Stollingsdiagrammen en hun interpretatie Een stollingsdiagram (toestandsdiagram) legt de begin- en eindpunten van het stollingstraject voor elke mogelijke mengverhouding van twee metalen vast [27](#page=27). #### 6.2.1 Stollingsdiagrammen bij volledige oplosbaarheid in vaste toestand In een stollingsdiagram voor legeringen met volledige oplosbaarheid in vaste toestand worden de **liquiduslijn** (bovenste lijn) en de **soliduslijn** (onderste lijn) onderscheiden. Tussen deze lijnen bevindt de legering zich in een brijachtige toestand [27](#page=27). > **Voorbeeld:** Koper-nikkellegeringen en goudzilverlegeringen vertonen dit type stollingsgedrag [27](#page=27). #### 6.2.2 Stollingsdiagrammen bij geen oplosbaarheid in vaste toestand (eutectic Figuur 4.12 toont een stollingsdiagram voor legeringen waarbij de metalen in vaste toestand niet in elkaar oplosbaar zijn. Bij een specifieke mengverhouding, het **eutecticumpunt** (aangegeven met E in fig. 4.12), heeft de legering geen stollingstraject maar een vast stollingspunt. Dit eutecticum bestaat uit een mengsel van zeer kleine, met het blote oog niet waarneembare kristallen van de twee metalen, wat resulteert in een fijnkorrelige structuur [27](#page=27). In dit type diagram worden de volgende gebieden onderscheiden: * **I:** Vloeibaar mengsel van A en B [27](#page=27). * **II:** Vloeibaar mengsel met vaste kristallen van metaal A [27](#page=27). * **III:** Vloeibaar mengsel met vaste kristallen van metaal B [27](#page=27). * **IV:** Vaste legering bestaande uit kristallen van metaal A, met daartussen het eutecticum van A en B [27](#page=27). * **V:** Vaste legering bestaande uit kristallen van metaal B, met daartussen het eutecticum van A en B [27](#page=27). > **Voorbeeld:** Lood-antimoonlegeringen vallen onder dit type [27](#page=27). #### 6.2.3 Stollingsdiagrammen bij gedeeltelijke oplosbaarheid in vaste toestand Figuur 4.13 illustreert een stollingsdiagram voor legeringen waarbij één metaal gedeeltelijk oplosbaar is in het andere in vaste toestand, terwijl het andere metaal niet oplosbaar is. De lijnen D EF (liquidus) en DGEK (solidus) definiëren de grenzen tussen vloeibare en vaste fasen. Ook hier kan een eutecticum ontstaan bij een specifieke samenstelling [28](#page=28). De gebieden in dit type diagram zijn: * **I:** Tot ca. 62% B en 38% A, ontstaan mengkristallen tot temperatuur Tl [28](#page=28). * **II:** Tijdens afkoeling ontstaan uitsluitend kristallen van metaal B tot temperatuur Tl [28](#page=28). * **III:** Beneden lijn DG, vaste legeringen bestaan uit mengkristallen rijk aan metaal A [28](#page=28). * **IV:** Tussen temperaturen Tl en Ta (voor legeringen van 90% A, 10% B tot 80% A, 20% B), ontmengt de gestolde massa gedeeltelijk, waarbij metaal B als kristallen uitscheidt [28](#page=28). * **V:** Bij mengverhoudingen van 80% A en 20% B tot ca. 38% A en 62% B, ontstaan mengkristallen omgeven door eutecticum van A en B in de vaste toestand [28](#page=28). * **VI:** Vaste legeringen bestaan uit kristallen van metaal B omgeven door eutecticum van A en B [28](#page=28). Punt G geeft aan dat maximaal 20% van metaal B oplosbaar is in metaal A bij temperatuur Tl [28](#page=28). > **Voorbeeld:** Lood-tinlegeringen vertonen dit gedrag [28](#page=28) [29](#page=29). > **Tip:** Het is essentieel om de specifieke samenstellingen en temperaturen bij de overgangen tussen de verschillende gebieden in het diagram te kunnen interpreteren [29](#page=29). ### 6.3 Het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagram is van cruciaal belang voor het begrijpen van staal en gietijzer, aangezien koolstof de eigenschappen van ijzer sterk beïnvloedt [30](#page=30). #### 6.3.1 Het stollen van zuiver ijzer Zuiver ijzer kent verschillende allotropische vormen (kristalroosters) bij oplopende temperatuur: α-ijzer (kubisch ruimtelijk gecentreerd) γ-ijzer (kubisch vlakken gecentreerd) bij 906 °C, en δ-ijzer (kubisch ruimtelijk gecentreerd) bij 1401 °C. Zuiver ijzer smelt bij 1528 °C. Tijdens afkoeling vinden deze faseovergangen in omgekeerde volgorde plaats [30](#page=30). #### 6.3.2 IJzer met koolstof Koolstof kan in ijzer voorkomen als gebonden koolstof (ijzercarbide of cementiet, Fe3C) of als vrije koolstof. Cementiet bestaat uit 93,3% ijzer en 6,67% koolstof. Staal (tot 1,9% koolstof) bevat gebonden koolstof, terwijl gietijzer vrije koolstof kan bevatten. IJzer-koolstoflegeringen met meer dan 6,67% koolstof zijn technisch minder relevant. Het stollingsdiagram van ijzer-koolstoflegeringen wordt het ijzer-koolstofdiagram genoemd [30](#page=30). --- # warmtebehandelingen van staal Warmtebehandelingen van staal worden toegepast om de eigenschappen van het materiaal te verbeteren, zoals hardheid, taaiheid en slijtvastheid [52](#page=52). ### 9.1 Harden Harden is een warmtebehandeling die de sterkte en hardheid van een metaallegering verhoogt door het transformeren naar martensiet, een zeer harde fase met interne spanningen. Bij staal wordt het materiaal verhit tot in het austenietgebied en vervolgens snel afgekoeld om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen. Dit proces verhoogt de hardheid en slijtvastheid aanzienlijk [52](#page=52). Het proces verloopt als volgt: * Het werkstuk wordt gelijkmatig verhit tot het een gele kleur heeft, wat een indicatie is van de fase waarin het materiaal zich bevindt [52](#page=52). * Aansluitend vindt afkoeling plaats in koud water of olie. De keuze van de afkoelvloeistof hangt af van de materiaalsamenstelling en beïnvloedt de afkoelsnelheid; te langzame afkoeling verhindert verharding, terwijl te snelle afkoeling tot scheuren kan leiden [52](#page=52). Na het harden is ontlaten noodzakelijk om het staal minder bros te maken [52](#page=52). ### 9.2 Ontlaten Ontlaten, ook wel aanlaten genoemd, is een warmtebehandeling die na het harden wordt toegepast om het staal minder breekbaar en taaier te maken. Het werkstuk wordt verwarmd tot temperaturen tussen 200 °C en 330 °C en daarna afgekoeld. Hierdoor neemt de hardheid af, de taaiheid toe en verdwijnen de meeste interne materiaalsspanningen [53](#page=53). De mate van hardheid na ontlaten is afhankelijk van: * De ontlatingstemperatuur: een hogere temperatuur resulteert in lagere hardheid [53](#page=53). * De duur van de ontlating [53](#page=53). Het ontlatingsproces omvat: * Verwijderen van de oxidelaag van het werkstuk [53](#page=53). * Opnieuw verhitten [53](#page=53). * Wederom afkoelen in koud water of olie [53](#page=53). ### 9.3 Gloeien Gloeien omvat verschillende warmtebehandelingen die worden toegepast om de microstructuur en bewerkbaarheid van staal te verbeteren [54](#page=54). #### 9.3.1 Uitgloeien Uitgloeien wordt toegepast om gehard staal weer zacht te maken voor bewerkingen zoals reparaties of het verhelpen van harde plekken. Het staal wordt verwarmd tot de hardingstemperatuur en daarna langzaam afgekoeld, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de hardheid [54](#page=54). #### 9.3.2 Normaalgloeien Normaalgloeien is bedoeld om grove kristallen, ontstaan door processen zoals smeden of persen, om te zetten in fijne kristallen (een fijnkorrelige structuur). Dit verbetert de sterkte en bewerkbaarheid van het staal. De behandeling vindt plaats door verhitting tot 700 °C à 720 °C en is geschikt voor staalsoorten met maximaal 0,9 % koolstof. Het wordt ook toegepast bij dieptrekwerk dat tussentijds gegloeid wordt [54](#page=54). #### 9.3.3 Zachtgloeien Zachtgloeien wordt toegepast op staalsoorten met meer dan 0,9 % koolstof om hun verspaanbaarheid te vergroten. Het staal wordt verwarmd tot rond 740 °C en langzaam afgekoeld, wat resulteert in een korreligere structuur die beter verspaanbaar is [55](#page=55). #### 9.3.4 Spanningvrij gloeien Spanningvrij gloeien heft inwendige spanningen op die ontstaan zijn door gieten, lassen of smeden. Deze spanningen kunnen leiden tot breuk of vervorming. Voor het harden van gesmede werkstukken is het aan te raden om eerst spanningvrij te gloeien om hardingsscheurtjes te voorkomen. De behandeling omvat verhitting tot 500 °C à 600 °C en langzame afkoeling [55](#page=55). ### 9.4 Veredelen Veredelen is een combinatie van eerst harden en daarna ontlaten bij een hoge temperatuur (500 °C à 600 °C). Dit proces verhoogt zowel de sterkte als de taaiheid van het staal, waardoor het beter bestand is tegen stotende belastingen. Toepassingen zijn onder meer spindels voor slijpmachines, onderdelen voor stempels, nokken en stalen walsrollen. De genoemde temperaturen gelden specifiek voor ongelegeerd staal [55](#page=55). ### 9.5 Oppervlakteharden Oppervlakteharden richt zich op het verharden van alleen de oppervlaktelaag van een onderdeel, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit is ideaal voor onderdelen die zowel slijtvast moeten zijn als bestand tegen stotende of buigende belastingen [55](#page=55). #### 9.5.1 Cementeren (inzetten of pakharden) Bij cementeren worden onderdelen verpakt in een koolstofhoudende stof in een luchtdicht afgesloten bak, die gedurende enkele uren wordt verhit tot circa 850 °C à 950 °C. De oppervlakte neemt koolstof op. Na langzame afkoeling worden de onderdelen opnieuw verhit tot de hardingstemperatuur en afgekoeld in water of olie, waardoor de koolstofrijke oppervlakte (met ongeveer 1 % koolstof) hard wordt. De dikte van de inzetlaag (ongeveer 1 à 1,5 mm na vier uur bij 850 °C à 950 °C) is afhankelijk van de duur van het proces en het gebruikte inzetpoeder (houtskool- of speciaal inzetpoeder). De dikte kan gecontroleerd worden met proefstaafjes (verklikkers). Gecementeerde werkstukken kunnen alleen nog worden bewerkt door middel van slijpen [56](#page=56). #### 9.5.2 Carboniseren met gas De onderdelen worden in een oven verhit in een gasvlam met een overmaat aan koolstof (koolmonoxide). Het metaaloppervlak neemt in gloeiende toestand koolstof op. Vaak worden de werkstukken na dit proces direct afgekoeld in olie of water [56](#page=56). #### 9.5.3 Carboniseren in zoutbaden Onderdelen worden ondergedompeld in gesmolten zout dat zowel koolstof als stikstof bevat. Deze elementen maken de oppervlakte hardbaar. Na het proces worden de werkstukken afgekoeld in water of olie. Een voordeel is dat de werkstukken nagenoeg blank blijven [56](#page=56). #### 9.5.4 Nitreren Bij nitreren wordt een hardbare oppervlaktelaag verkregen met behulp van stikstof. Machineonderdelen worden gedurende 50 tot 120 uur op ongeveer 500 °C gehouden in een gesloten ruimte waar ammoniakdampen doorheen stromen. De stikstof wordt opgenomen door het werkstukoppervlak, wat resulteert in een harde laag bestaande uit een stikstof-ijzerverbinding. Toepassingen zijn onder meer cilindervoeringen, kleppen en krukassen [56](#page=56) [57](#page=57). Voordelen van nitreren: * Onderdelen blijven blank gedurende het proces [57](#page=57). * Nabewerking is overbodig, waardoor onderdelen zuiver op maat gemaakt kunnen worden vóór het proces [57](#page=57). * De relatief lage temperatuur minimaliseert de kans op kromtrekken [57](#page=57). * Genitreerd staal en gietijzer zijn bestand tegen oxidatie [57](#page=57). #### 9.5.5 Vlamharden Vlamharden is een veelgebruikte methode waarbij de onderdelen van hardbaar staal met een speciale brander worden verwarmd en daarna snel met water worden afgekoeld. De verwarming is zo snel dat alleen de oppervlakte tot een diepte van 0,5 mm tot 3,5 mm de hardingstemperatuur bereikt. De hardingsdiepte is afhankelijk van de vlamtemperatuur, de brander-loopsnelheid en de materiaaldikte [57](#page=57). #### 9.5.6 Inductieharden Inductieharden, ook wel hoogfrequentieharden genoemd, maakt gebruik van wisselstromen met een frequentie tot circa 500.000 Hz. Een spoel met een kern genereert een magnetisch veld dat het stalen werkstuk magnetiseert en de oppervlakte sterk verwarmt tot op de hardingstemperatuur. De afkoeling is afhankelijk van de staalsoort. Toepassingen zijn onder meer het harden van krukassen, nokkenassen en tandwielen voor automotoren [57](#page=57). --- # Legeringen van staal en hun eigenschappen Dit hoofdstuk behandelt diverse staallegeringen en hun specifieke eigenschappen en toepassingen, voortbouwend op de basisprincipes van staalbewerking. ### 8.1 Mangaanstaal Mangaanstaal is een legering met 1 tot ongeveer 15 procent mangaan. Het hoge mangaangehalte verleent het staal een aanzienlijke slijtvastheid. De treksterkte van mangaanstaal varieert van 650 tot 1000 N/mm², afhankelijk van het mangaangehalte. Het staal is tevens hardbaar [41](#page=41). #### 8.1.1 Toepassingen van mangaanstaal Mangaanstaal met een laag mangaangehalte (1 tot circa 3% Mn) wordt gebruikt voor zwaar belaste onderdelen zoals assen, krukassen, bouten, ankerbouten, moeren en remhefbomen [41](#page=41). Mangaanstaal met een hoog mangaangehalte (12 tot 15% Mn), ook wel slijtvast staal genoemd, is geschikt voor onderdelen die onderhevig zijn aan intense slijtage en stootbelasting. Voorbeelden hiervan zijn spoorrails, spoorwissels, en bakken voor baggermolens. Gietstalen wielen voor spoorwagons kunnen voorzien worden van velgen van mangaanstaal [41](#page=41). ### 8.2 Chroomstaal Chroomstaal is gelegeerd met 1 tot circa 30 procent chroom. Chroom verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid van het staal. Staalsoorten met 11% of meer chroom zijn corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. De treksterkte van chroomstaal met 11% tot 18% chroom varieert tussen 500 en 800 N/mm² [41](#page=41). #### 8.2.1 Toepassingen van chroomstaal 1. **1% tot 8% chroom:** Wordt toegepast voor stempels, kogels en onderdelen voor kogellagers, vanwege de vereiste hardheid en slijtvastheid [42](#page=42). 2. **6% tot 12% chroom:** Gebruikt voor messen die niet mogen oxideren, en voor rollen in rollenlagers die hard en slijtvast moeten zijn [42](#page=42). 3. **10% tot 18% chroom:** Toepassingen omvatten schoepen voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen. Ook wordt het gebruikt in de chemische, zuivel- en voedingsmiddelenindustrie vanwege de bestendigheid tegen zuren [42](#page=42). 4. **20% tot 30% chroom:** Geschikt voor onderdelen die bestand moeten zijn tegen zeer hoge temperaturen, tot circa 1200°C, zoals in gasturbines [42](#page=42). ### 8.3 Nikkelstaal Nikkelstaal bevat 2% tot 50% nikkel. Nikkel verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid van staal. Bij een nikkelgehalte van 8% tot 10% toont het staal een hoge treksterkte (ongeveer 1200 N/mm²) en taaiheid bij zeer lage temperaturen (ongeveer -200°C). Nikkel bevordert de kernharding, wat betekent dat de kern van het materiaal eveneens goed hard wordt tijdens het harden. Nikkelstaal met ongeveer 25% nikkel is grotendeels corrosievast. Een nikkelgehalte van 36% resulteert in een staal dat praktisch ongevoelig is voor uitzetting, met een uitzettingscoëfficiënt van 1,5 x 10⁻⁶/°C. Bij een hoog nikkelgehalte, zoals ongeveer 50%, bezit het staal uitstekende magnetische eigenschappen, waaronder een grote magnetische veldsterkte en magnetische permeabiliteit [43](#page=43). #### 8.3.1 Toepassingen van nikkelstaal 1. **2% tot 5% nikkel:** Gebruikt voor nokken, nokkenassen, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, drijfstangen en ketelplaat [43](#page=43). 2. **8% tot 10% nikkel:** Wordt toegepast in apparatuur voor de opslag en het transport van vloeibare gassen [43](#page=43). 3. **25% nikkel:** Geschikt voor schoepen van stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en oxidatie [43](#page=43). 4. **36% nikkel (invarstaal):** Gebruikt voor onderdelen van meetinstrumenten, standaardlengtematen, en stalen bruggen in motorzuigers om vervorming bij hoge temperaturen te voorkomen [43](#page=43). 5. **50% nikkel:** Wordt toegepast voor kernen van elektromotoren en transformatoren vanwege de hoge magnetische veldsterkte [43](#page=43). ### 8.4 Chroom-nikkel staal Chroom-nikkelstaal bevat 12% tot 26% chroom en 1% tot 20% nikkel. Dit zijn hoogwaardige staalsoorten met bijzondere kwaliteiten. De meeste chroom-nikkelstaalsoorten zijn zuur- en corrosievast. Een bekende variant is de 18/8 kwaliteit, met 18% chroom en 8% nikkel. Chroom-nikkelstaal met 18% tot 25% chroom en 7% tot 20% nikkel is hittevast. De treksterkte ligt tussen 500 N/mm² en 800 N/mm², met een grotere taaiheid, rek en hardheid dan ongelegeerd constructiestaal [44](#page=44). #### 8.4.1 Toepassingen van chroom-nikkel staal De toepassingen variëren afhankelijk van het chroom- en nikkelgehalte: 1. **12% tot 14% chroom en 1% nikkel:** Medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, en matrijzen voor kunststofvormen [44](#page=44). 2. **10% tot 20% chroom en 1% tot 10% nikkel:** Onderdelen en installaties voor de chemische industrie [44](#page=44). 3. **18% tot 20% chroom en 8% tot 10% nikkel:** Onderdelen en installaties voor de voedingsmiddelenindustrie, en onderdelen voor verbrandingsmotoren zoals krukassen en nokkenassen [44](#page=44). ### 8.5 Roestvast staal Roestvast staal is goed bestand tegen oxidatie en de inwerking van agressieve chemische stoffen. Dit wordt bereikt door legering met minimaal 11% chroom, dat een beschermend oxidelaagje vormt [45](#page=45). #### 8.5.1 Samenstelling en eigenschappen van roestvast staal Op basis van samenstelling worden roestvaste staalsoorten onderverdeeld in: 1. **Chroomstaal:** 11% tot 30% chroom [45](#page=45). 2. **Chroom-nikkelstaal:** 17% tot 20% chroom en 6% tot 17% nikkel [45](#page=45). #### 8.5.2 Invloed van legeringselementen op roestvast staal Molybdeen verbetert de weerstand tegen putcorrosie in ferritisch staal. Zwavel en selenium verbeteren de verspaanbaarheid. Titaan verbetert de lasbaarheid door korrelgroei tegen te gaan en zo de taaiheid te behouden [45](#page=45). #### 8.5.3 Toepassingen van roestvast staal 1. **Ferritische roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 12% tot 16%: Turbineschoepen, apparaten voor de aardolie- en chemische industrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 14% tot 18%: Sierdoeleinden in de automobielbouw en keukengerei [46](#page=46). * Chroomgehalte 22% tot 26%: Ovenonderdelen en apparaten voor de chemische industrie [46](#page=46). * Ferritische soorten hebben bij gelijk chroomgehalte een iets lager koolstofgehalte dan martensitische soorten [46](#page=46). 2. **Martensitisch roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 11,5% tot 14%: Onderdelen die in contact komen met water en stoom, zoals assen voor waterpompen, kranen, afsluiters, waterventielen. Ook voor onderdelen van waterreinigingsinstallaties, stoomturbineschoepen en waterturbines, huishoudelijke artikelen, keukengerei en chirurgische instrumenten [46](#page=46). * Chroomgehalte 16% tot 18%: Scharen, messen, kleppen, schroefassen voor motorboten [46](#page=46). 3. **Austenitische roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 16% tot 20% en nikkelgehalte 3% tot 10%: Aanrechten, vitrines, huishoudelijke voorwerpen, pannen, opslagtanks, pijpleidingen en apparaten voor de voedingsmiddelenindustrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 18% tot 20% en nikkelgehalte 10% tot 15%: Onderdelen voor installaties in de chemische industrie die in contact komen met sterke zuren, en installaties voor de petrochemische industrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 20% tot 26% en nikkelgehalte 20% tot 30%: Onderdelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld, hittevast tot circa 1000°C in lucht, gebruikt in gasturbines en gloeiovens [46](#page=46). ### 8.6 Verenstaal Verenstaal kan gelegeerd zijn met chroom en vanadium, chroom en silicium, mangaan en silicium, of chroom en nikkel (roestvast verenstaal). De grote veerkracht wordt verkregen door de elementen silicium en vanadium. Vanadium zorgt ervoor dat het staal veerkrachtig blijft bij hoge temperaturen. De treksterkte varieert van 800 N/mm² tot 1000 N/mm², en kan door veredeling verhoogd worden tot 1200 N/mm² tot 1750 N/mm². Verenstaal wordt gebruikt voor de vervaardiging van blad-, schroef-, spiraal- en andere technische veren [46](#page=46). #### 8.6.1 Toepassingen van verenstaal 1. **Chroom (1%) en vanadium (0,2% tot 0,4%):** Bladveren voor vrachtauto's, torsieveren [47](#page=47). 2. **Chroom (1%) en silicium (0,5% tot 1%):** Trek- en drukveren voor sterke belastingen [47](#page=47). 3. **Mangaan (1% tot 1,5%), silicium (1% tot 1,8%) en koolstof (0,6%):** Spantagen, alle soorten veren voor auto's, locomotieven, spoorwagons, kegelveren [47](#page=47). 4. **Chroom (18%) en nikkel (8%) (roestvast verenstaal):** Veren die in contact komen met zuren en bestand moeten zijn tegen oxidatie [47](#page=47). --- # Staalbereiding: chemische samenstelling en raffinageprocessen Dit onderwerp behandelt de samenstelling van staal en de processen die worden gebruikt om ruwijzer te zuiveren tot bruikbaar staal. ### 9.1 Chemische samenstelling van staal Staal wordt gedefinieerd als een legering van ijzer met maximaal circa 2% koolstof. Ijzerlegeringen met meer dan 2% koolstof worden beschouwd als gietijzer, wat te bros is voor conventionele fabricagemethoden zoals walsen en smeden. Zuiver ijzer, met minder dan 0,005% koolstof en geen andere legeringselementen, is zacht en ductiel, maar niet erg sterk, en wordt alleen gebruikt voor specifieke toepassingen zoals in de magnetische technologie of als geëmailleerd staal. Commercieel belangrijke staalsoorten hebben doorgaans een koolstofgehalte tussen ongeveer 0,06% en 2,0% [9](#page=9). Ruwijzer, dat uit de hoogoven komt, bevat doorgaans 4% tot 5% koolstof. Daarnaast kan het aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor en mangaan bevatten, evenals niet-metallische insluitsels die afkomstig zijn van het erts. Deze onzuiverheden moeten grotendeels worden verwijderd om de gewenste eigenschappen van staal te verkrijgen. Het centrale proces voor het verwijderen van deze verontreinigingen, inclusief koolstof, is oxidatie. In gesmolten toestand kan opgeloste koolstof in ijzer reageren met toegevoerde zuurstof om koolmonoxide (CO) te vormen [9](#page=9). ### 9.2 Raffinageprocessen Het zuiveren van ruwijzer tot staal omvat verschillende processen, waarbij oxidatie een sleutelrol speelt. De belangrijkste raffinageprocessen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn [9](#page=9): * **Het oxystaalproces:** Dit proces, geïntroduceerd in de jaren zestig, maakt gebruik van een peervormig stalen vat dat gevuld wordt met ongeveer 25% schroot en 75% gesmolten ruwijzer. Zuurstof wordt met hoge snelheid in het metaalbad geblazen via zuurstoflansen, waarbij de reactiewarmte de benodigde hitte levert. Dit proces is zeer snel, waarbij 300 ton staal in ongeveer 25 minuten verfijnd kan worden. Het oxystaalproces is tegenwoordig het belangrijkste staalraffinageproces geworden vanwege de economische voordelen en snelheid [11](#page=11). * **Het haardovenproces (Siemens-Martin-proces):** Dit proces, dat sinds 1900 de ruggengraat van de staalindustrie vormde, werkt met gesmolten ruwijzer en schroot (tot 50%) in een ondiep bassin. De temperatuur wordt gehandhaafd door brandstof en lucht boven het metaal te verbranden. Lucht wordt toegevoerd om koolstof te oxideren en zuurstoflansen kunnen worden gebruikt om het proces te bevorderen. Een lading van 300 ton kan ongeveer 8 uur duren om te raffineren [10](#page=10). * **Het elektro-ovenproces:** In elektro-ovens wordt schroot gesmolten door een elektrische boog tussen grafietelektroden en de lading. Deze ovens verbruiken veel energie, maar het raffinageproces verloopt sneller dan in open haardovens. Elektro-ovens produceren over het algemeen zuiverder staal en werden tot de jaren zeventig voornamelijk gebruikt voor de bereiding van speciale legeringen. Met de sluiting van open haardovens en de daaruit voortvloeiende overvloed aan schroot, werden elektro-ovens economisch aantrekkelijker voor kleinschalige productie van diverse staalproducten [10](#page=10) [11](#page=11). #### 9.2.1 Staalsoorten met hoge zuiverheid Voor toepassingen waar hoge betrouwbaarheid cruciaal is, worden staalsoorten geproduceerd met speciale smeltprocessen om niet-metallische insluitsels te minimaliseren. De vermoeiingslevensduur en taaiheid van staal zijn nauw gerelateerd aan het gehalte en de grootte van deze insluitsels (zoals oxiden, silicaten en sulfiden). De zuiverheid kan microscopisch worden bepaald en de ontwerper kan specifieke eisen stellen aan het insluitselgehalte [11](#page=11). Methoden om insluitsels te verwijderen zijn onder te verdelen in: * **Vacuümsmelten of omsmelten:** * Vacuümontgassen [12](#page=12). * Vacuüm boogomsmelten (meest gebruikte methode) [12](#page=12). * Vacuüminductiesmelten [12](#page=12). * Elektronenstraalraffinage [13](#page=13). * **Chemische reactie:** * Argon-zuurstofontkoling [13](#page=13). * Elektroslakomsmelting [13](#page=13). * Gietpanraffinage [13](#page=13). **Vacuümraffinage** maakt gebruik van blootstelling aan vacuüm om opgeloste gassen en, met voldoende menging, vaste insluitsels te laten ontsnappen of verdampen. Bij **vacuüm boogomsmelten** wordt staal opnieuw gesmolten met een elektrische boog, waarbij elke druppel die valt wordt blootgesteld aan het vacuüm, wat zeer effectief is voor insluitselverwijdering [12](#page=12). **Chemische reactiemethoden** verwijderen onzuiverheden door reactie met toegevoegde stoffen, niet noodzakelijkerwijs onder vacuüm. Bij **argon-zuurstofontkoling** worden koolstof, zwavel en andere verontreinigingen verwijderd door zuurstof, terwijl argon de smelt heftig beroert en de verwijdering van gassen bevordert. **Elektroslakomsmelting** is vergelijkbaar met vacuüm boogomsmelten maar zonder vacuüm; het staal smelt door een gesmolten slak heen, die als reinigingsmiddel fungeert. **Gietpanraffinage** is een recentere methode waarbij vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen worden geïnjecteerd om met verontreinigingen te reageren. Hoewel nog niet zo effectief als andere methoden, biedt het potentieel voor het produceren van zeer zuivere staalsoorten tegen lagere kosten [13](#page=13). #### 9.2.2 Gieten in ingots Na het smelten en raffineren wordt vloeibaar staal gegoten in gietvormen, meestal blokvormen bekleed met vuurvast materiaal, om ingots te vormen. Tijdens het stollingsproces kunnen er inhomogeniteiten optreden, zoals segregatie (verschillen in samenstelling binnen de ingot) en slinkholten (holtes ontstaan door krimp) [13](#page=13). Vier hoofdtypen staal worden onderscheiden op basis van de stolling en de toevoeging van desoxidatiemiddelen: 1. **Ongekalmeerd staal:** Vertelt de hoogste porositeit en sterkste segregatie. De huid van de ingot is zuiverder dan het centrum [14](#page=14). 2. **Gedekseld staal:** Wordt gemaakt door een deksel op de gietvorm te plaatsen om turbulentie te onderdrukken. Heeft minder porositeit en segregatie dan ongekalmeerd staal [14](#page=14). 3. **Halfrustig staal:** Er zijn minder desoxidatiemiddelen toegevoegd dan aan gekalmeerd staal [14](#page=14). 4. **Gekalmeerd staal:** De stolling verloopt rustiger door toevoeging van elementen zoals aluminium en silicium, die opgeloste zuurstof verwijderen. Dit type staal heeft de meest homogene chemische samenstelling, bevat geen gas en geen slinkholten [14](#page=14). De prijs van deze staalsoorten is ongeveer evenredig aan hun zuiverheid, waarbij ongekalmeerd staal het goedkoopst is. Segregatie en slinkholten kunnen problemen veroorzaken bij de vormgeving en verwerking van staal, omdat verschillende delen van een staalband dan feitelijk verschillende legeringen zijn met uiteenlopende mechanische eigenschappen [14](#page=14). #### 9.2.3 Continugieten Continugieten is een proces dat de ingotfase overslaat en steeds belangrijker wordt. Hierbij wordt continu gesmolten staal gegoten in een met water gekoelde vorm die overeenkomt met de doorsnede van het gewenste product (meestal rond of rechthoekig). Dit proces vereist gedesoxideerd (gekalmeerd) staal, omdat ongekalmeerd staal kolkt bij stolling en gaten zou veroorzaken. Ongeveer 50% van al het staal dat in de Westerse landen in 1987 werd geproduceerd, was continu gegoten. De verwachting is dat uiteindelijk bijna alle staalproducten via continu gieten zullen worden gemaakt, wat betekent dat het staal dat gebruikers tegenkomen grotendeels gekalmeerd zal zijn. Dit zal leiden tot meer uniforme mechanische eigenschappen over de breedte van stalen platen en de eliminatie van chemische segregatie en centrale insluitsels [15](#page=15). --- ## 9. Staalbereiding: chemische samenstelling en raffinageprocessen Dit onderwerp behandelt de chemische samenstelling van staal, de invloed van legeringselementen en de verschillende raffinageprocessen die leiden tot diverse staalsoorten. ### 9.1 Stahl samenstelling en eigenschappen Staal en gietijzer bevatten naast ijzer ook koolstof, wat de eigenschappen significant beïnvloedt. Koolstof kan in gebonden vorm als ijzercarbide (cementiet, Fe₃C) of in vrije vorm voorkomen. Ferriet is ijzer met een zeer laag koolstofgehalte (< 0,03 %). Cementiet heeft een vaste samenstelling van 93,3 % ijzer en 6,67 % koolstof [30](#page=30). #### 9.1.1 Ongelegeerd staal Ongelegeerd staal bestaat voornamelijk uit ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen afhankelijk zijn van het koolstofgehalte. Toenemend koolstofgehalte leidt tot hogere treksterkte en hardheid, maar een lagere rek en taaiheid. Staal met meer dan 0,35 % koolstof is hardbaar. Ongelegeerd staal bevat ook sporen van elementen zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor, die onopzettelijk zijn ingebracht. Fosfor en zwavel worden als schadelijk beschouwd omdat ze de treksterkte en lasbaarheid negatief beïnvloeden. Over het algemeen mag het zwavelgehalte niet hoger zijn dan 0,06 % en het fosforgehalte maximaal 0,06 % [33](#page=33). > **Tip:** Fosfor en zwavel zijn ongewenste elementen in staal omdat ze de lasbaarheid verminderen en de treksterkte nadelig beïnvloeden [33](#page=33). #### 9.1.2 Staal voor algemeen gebruik Staal voor algemeen gebruik voldoet aan specifieke eisen voor mechanische eigenschappen, chemische samenstelling en vereist geen warmtebehandelingen. Voorbeelden van mechanische eisen zijn een minimale treksterkte van 690 N/mm², een minimale vloeigrens van 360 N/mm², en een minimale rek van 26 %. Het koolstofgehalte moet gelijk zijn aan of hoger dan 0,1 %, en het fosfor- en zwavelgehalte mogen niet hoger zijn dan 0,05 % [34](#page=34). #### 9.1.3 Kwaliteitsstaal Kwaliteitsstaal voldoet aan specifieke kwaliteitseisen op het gebied van natuurkundige (bv. elektrische, magnetische), mechanische, chemische (bv. corrosieweerstand) en technologische eigenschappen (bv. vervormbaarheid, lasbaarheid, verspaanbaarheid). De chemische samenstelling is vaak gebonden aan grenzen voor het koolstof-, zwavel-, fosfor- en stikstofgehalte [35](#page=35). #### 9.1.4 Speciaalstaal Speciaalstaal wordt bereid voor een specifiek gebruiksdoel en voldoet aan nauwkeurig omschreven eisen. Dit kan betrekking hebben op gewaarborgde kerfslagwaarden, specifieke chemische samenstellingen met lage gehalten aan fosfor en zwavel, zeer gunstige elektrische en magnetische eigenschappen, of het vrijwel ontbreken van verontreinigingen. Voorbeelden van speciaalstaal zijn gereedschapsstaal, veredelstaal en staal voor oppervlakteharding [36](#page=36). ### 9.2 Het legeren van staal Gelegeerd staal is staal dat is verrijkt met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om de eigenschappen te verbeteren ten opzichte van ongelegeerd staal. Het doel van legeren is om staalsoorten te verkrijgen die beter geschikt zijn voor specifieke toepassingen, wat kan leiden tot verbeteringen in mechanische, chemische of technologische eigenschappen [38](#page=38). #### 9.2.1 Soorten gelegeerd staal * **Zwak- of laaggelegeerd staal:** Heeft een percentage legeringsbestanddelen tot maximaal 5 % en een koolstofgehalte niet hoger dan 0,2 %. Laaggelegeerd staal kan gelegeerd zijn met mangaan, silicium, chroom, nikkel, en eventueel geringe hoeveelheden molybdeen, titaan, zirkonium, of koper. Laaggelegeerde staalsoorten hebben vaak een hoge rekgrens, zijn goed lasbaar en bestand tegen lage temperaturen en atmosferische corrosie [38](#page=38) [40](#page=40). * **Gelegeerd staal:** Heeft een percentage legeringbestanddelen hoger dan 5 %. De kwaliteit van deze staalsoorten is afhankelijk van de soort en hoeveelheid legeringselementen in samenhang met het koolstofgehalte [38](#page=38). #### 9.2.2 Invloed van legeringselementen Verschillende legeringselementen hebben diverse effecten op de eigenschappen van staal: * **Mangaan (Mn):** Legeert tot ongeveer 15 %. Verhoogt de slijtvastheid aanzienlijk. Mangaanstaal is hardbaar. Laag mangaan (1-3 %) wordt gebruikt voor assen en krukassen. Hoog mangaan (12-15 %) wordt toegepast voor onderdelen die zwaar aan slijtage onderhevig zijn en op stoten worden belast, zoals spoorrails en spoorwissels [41](#page=41). * **Chroom (Cr):** Legeert tot ongeveer 30 %. Verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid. Chroomstaal met meer dan 11 % chroom is corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. Toepassingen variëren van stempels en kogellagers tot messen, rollen voor lagers, schoepen voor stoomturbines en onderdelen voor gasturbines [41](#page=41) [42](#page=42). * **Nikkel (Ni):** Legeert tot 50 %. Verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid. Bij een nikkelgehalte van 8-10 % heeft het staal bij zeer lage temperaturen (ca. -200 °C) een grote treksterkte en taaiheid. Nikkel bevordert de kernharding. Nikkelstaal met ongeveer 25 % nikkel is vrijwel corrosievast. Bij 36 % nikkel is het staal praktisch ongevoelig voor uitzetting (uitzettingscoëfficiënt 1,5 x 10⁻⁶/°C). Nikkelstaal met ongeveer 50 % nikkel heeft goede magnetische eigenschappen. Toepassingen omvatten nokken, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, apparatuur voor opslag van vloeibare gassen, en kernen van elektromotoren. Inv Ardenstaal, met 36 % nikkel, wordt gebruikt in meetinstrumenten en standaard-lengtematen [43](#page=43). * **Chroom-nikkelstaal:** Gelegeerd met 12-26 % chroom en 1-20 % nikkel. Dit zijn hoogwaardige staalsoorten met bijzondere kwaliteiten. De meeste soorten zijn zuur- en corrosiebestendig. De bekende 18/8 kwaliteit bevat 18 % chroom en 8 % nikkel. Hittevast chroom-nikkelstaal bevat 18-25 % chroom en 7-20 % nikkel. Toepassingen zijn onder meer medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, en installaties voor de chemische en voedingsmiddelenindustrie [44](#page=44). #### 9.2.3 Roestvast staal Roestvast staal is goed bestand tegen oxidatie en agressieve chemische stoffen, gelegeerd met minimaal 11 % chroom. Het chroom vormt een dicht oxidelaagje dat het onderliggende metaal beschermt [45](#page=45). * **Chroomstaal:** 11-30 % chroom [45](#page=45). * **Chroom-nikkelstaal:** 17-20 % chroom en 6-17 % nikkel [45](#page=45). Verdere legeringen met molybdeen, zwavel, selenium of titaan kunnen specifieke eigenschappen verbeteren: * **Molybdeen (Mo):** Verbetert de weerstand tegen putcorrosie in ferritisch staal [45](#page=45). * **Zwavel (S) en Selenium (Se):** Maken roestvast staal beter verspanbaar [45](#page=45). * **Titaan (Ti):** Verbetert de lasbaarheid door korrelgroei tegen te gaan, waardoor de taaiheid niet afneemt [45](#page=45). ### 9.3 Stollingsdiagrammen en ijzer-koolstofdiagramma Hoewel de focus van dit document ligt op de chemische samenstelling en raffinageprocessen, worden verschillende stollingsdiagrammen en het ijzer-koolstofdiagramma geïntroduceerd om de relatie tussen samenstelling, temperatuur en faseovergangen te illustreren [27](#page=27) [30](#page=30). * **Stollingsdiagrammen:** Beschrijven het stolgedrag van legeringen bij verschillende mengverhoudingen en temperaturen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen legeringen die in vaste toestand volledig oplosbaar zijn, niet oplosbaar zijn, of gedeeltelijk oplosbaar zijn. Het concept van een eutecticum, een legering met een vast smeltpunt, wordt geïntroduceerd [27](#page=27) [28](#page=28). * **IJzer-koolstofdiagramma:** Toont de verschillende fasen en transformaties in ijzer-koolstoflegeringen, essentieel voor het begrijpen van staal en gietijzer. Belangrijke structuren zoals austeniet, ferriet, cementiet, perliet (een eutecticum van ferriet en cementiet) en ledeburiet (een eutecticum van austeniet en cementiet) worden besproken. De omzetting van kristalroosters van ijzer (α, γ, δ) bij verschillende temperaturen is hierbij cruciaal [30](#page=30) [31](#page=31) [32](#page=32). --- Dit hoofdstuk bespreekt de verschillende typen staal, hun samenstellingen, eigenschappen en de processen die worden toegepast om deze eigenschappen te verbeteren, met een focus op warmtebehandelingen en oppervlaktebehandelingen. ### 9.1 Roestvast staal Roestvast staal wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van chroom en, in veel gevallen, nikkel. Het wordt ingedeeld in drie hoofdtypen op basis van hun microstructuur en eigenschappen [46](#page=46). #### 9.1.1 Ferritisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 12 tot 26% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Lager dan martensitisch staal, variërend van 0,08 tot 0,2% [48](#page=48). * **Eigenschappen:** * Niet hardbaar [48](#page=48). * Magnetiseerbaar [48](#page=48). * Zeer goede corrosieweerstand, goed bestand tegen veel chemicaliën en zuren, ongevoelig voor spanningscorrosie [48](#page=48). * Goede tot ca. 700°C oxidatieweerstand, tot ca. 1100°C bij 24-28% chroom [48](#page=48). * Hoge buigtaaiheid, maar oververhitting verlaagt de taaiheid. Geringe taaiheid bij temperaturen beneden 0°C [48](#page=48). * Goed tot zeer goed vervormbaar in koude toestand, maar koudversteviging treedt op [48](#page=48). * Redelijk goed verspaanbaar, vooral de automatenkwaliteit [48](#page=48). * Zeer goed lasbaar bij laag chroomgehalte (max. 14%) en laag koolstofgehalte. Matig lasbaar bij 16-18% chroom vanwege korrelgroei die de taaiheid verlaagt [48](#page=48). * **Toepassingen:** Turbineschoepen, aardolie- en chemische industrie apparatuur sierdoeleinden, keukengerei, ovenonderdelen [46](#page=46). #### 9.1.2 Martensitisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 11,5 tot 18% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Hoger, variërend van 0,15 tot 1,2% [48](#page=48). * Hardbaar (luchthardend) [48](#page=48). * Goede corrosieweerstand, na harden en ontlaten bestand tegen weersinvloeden, water, stoom en zwakke zuren [48](#page=48). * Goede oxidatieweerstand tot ca. 750°C [48](#page=48). * Goede taaiheid, vooral bij laag koolstofgehalte (max. 0,15%). Geringere taaiheid bij lage temperaturen [48](#page=48). * Goed mogelijk om koud te vervormen, maar koudversteviging treedt op [48](#page=48). * Matig tot redelijk goed verspanen, de automatenkwaliteit is beter verspanbaar [48](#page=48). * Minder goed lasbaar. Voorverwarmen van de las is noodzakelijk, evenals gloeien na het lassen. Geringe korrelgroei [48](#page=48). * **Toepassingen:** Assen voor waterpompen, kranen, afsluiters, huishoudelijke artikelen, keukengerei, chirurgische instrumenten, scharen, messen, kleppen, schroefassen voor motorboten [46](#page=46). #### 9.1.3 Austenitisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 12 tot 20% [46](#page=46). * **Nikkelgehalte:** 10 tot 30% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Laag, variërend van 0,03 tot 0,15% [48](#page=48). * Niet magnetiseerbaar [48](#page=48). * Zeer goede corrosieweerstand, vaak beter dan ferritische en martensitische soorten. Bestand tegen putcorrosie en spanningscorrosie [48](#page=48). * Beter bestand tegen oxidatie dan ferritische staalsoorten [48](#page=48). * Grote sterkte bij hoge temperaturen [48](#page=48). * Taai bij temperaturen tot 200°C [48](#page=48). * Goed mogelijk om koud te vervormen. Koudversteviging treedt op, meer dan bij ferritische en martensitische soorten [48](#page=48). * Moeilijk verspanen, maar met zwavel of selenium is de verspaning beter. Gelegeerde soorten zijn beter verspanbaar [48](#page=48). * Goed tot zeer goed lasbaar, de lasnaad blijft taai omdat harding optreedt. De zwavelhoudende automatenkwaliteit is niet te lassen [48](#page=48). * **Toepassingen:** Aanrechten, vitrines, huishoudelijke voorwerpen, pannen, opslagtanks, pijpleidingen en apparaten voor de voedingsmiddelenindustrie, installaties voor de chemische en petrochemische industrie die in aanraking komen met sterke zuren, onderdelen blootgesteld aan hoge temperaturen (gasturbines, gloeiovens) [46](#page=46). ### 9.2 Verenstaal Verenstaal is gelegeerd met elementen zoals chroom, vanadium, silicium en mangaan om hoge veerkracht en treksterkte te bereiken [46](#page=46). * **Samenstellingen en Toepassingen:** * Chroom (1%) en vanadium (0,2-0,4%): bladveren voor vrachtauto's, torsieveren [47](#page=47). * Chroom (1%) en silicium (0,5-1%): trek- en drukveren voor sterke belastingen [47](#page=47). * Mangaan (1-1,5%), silicium (1-1,8%) en koolstof (0,6%): diverse veren voor auto's, locomotieven, spoorwagons [47](#page=47). * Chroom (18%) en nikkel (8%) (roestvast verenstaal): veren die in aanraking komen met zuren en bestand moeten zijn tegen oxidatie [47](#page=47). * **Treksterkte:** Variërend van 800 tot 1000 N/mm², te vergroten tot 1200-1750 N/mm² door veredelen [46](#page=46). ### 9.3 Automatenstaal Automatenstaal is ontworpen voor eenvoudige verspaning met een korte spaan, ideaal voor massaproductie op automatische draaibanken [49](#page=49). * **Verbetering van verspanbaarheid:** Verkregen door toevoeging van zwavel en/of lood [49](#page=49). * **Soorten:** Zwavelhoudend, loodhoudend, en corrosievast (roestvast) automatenstaal [49](#page=49). ### 9.4 Gereedschapstaal Gereedschapstaal wordt gebruikt voor de productie van gereedschappen en moet daarom harder, taaier en slijtvaster zijn [49](#page=49). ### 9.5 Gietijzer en Gietstaal * **Gietijzer:** IJzer met minimaal 2,5% koolstof, gebruikt voor machineonderdelen en voorwerpen die gegoten worden. Het is na het gieten goed verwerkbaar [50](#page=50). * **Gietstaal:** Staal dat direct na bereiding in gietvormen wordt gegoten en niet door smeden e.d. wordt vervormd. Het kan ongelegeerd of gelegeerd zijn [50](#page=50) [51](#page=51). ### 9.6 Warmtebehandelingen Warmtebehandelingen worden toegepast om de eigenschappen van staal aan te passen [52](#page=52). #### 9.6.1 Harden Harden is een warmtebehandeling die de sterkte en hardheid verhoogt door het staal boven een bepaalde temperatuur te verwarmen en vervolgens snel af te koelen om martensiet te vormen [52](#page=52). * **Proces voor staal:** Verwarmen tot in het austenietgebied, gevolgd door snelle afkoeling om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen [52](#page=52). * **Stappen:** 1. Gelijkmatig verhitten tot een gele kleur [52](#page=52). 2. Afkoelen in koud water of olie, afhankelijk van de materiaalsamenstelling en de gewenste afkoelsnelheid [52](#page=52). * **Gevolgen:** Verhoogde hardheid en slijtvastheid. Te snelle afkoeling kan leiden tot scheuren of breken [52](#page=52). #### 9.6.2 Ontlaten Ontlaten is noodzakelijk na harden om het staal minder bros te maken [52](#page=52). * **Proces:** Verwarmen na het harden tot 200°C tot 330°C en daarna afkoelen [53](#page=53). * **Gevolgen:** Vermindering van hardheid, toename van taaiheid, en grotendeels verdwijnen van interne materiaalspanningen [53](#page=53). * **Factoren die hardheid na ontlaten beïnvloeden:** Ontlatingstemperatuur en duur [53](#page=53). * **Stappen:** Verwijderen van oxidelaag, opnieuw verhitten, en wederom afkoelen in water of olie [53](#page=53). #### 9.6.3 Gloeien Gloeien is een warmtebehandeling met verschillende varianten om specifieke eigenschappen te verkrijgen [54](#page=54). * **Uitgloeien:** Verwarmen tot hardingstemperatuur gevolgd door langzame afkoeling om gehard staal weer zacht te maken voor bewerking. Wordt ook toegepast bij harde plekken [54](#page=54). * **Normaalgloeien:** Verwarmen tot 700-720°C om grove kristallen om te zetten in fijne kristallen (fijnkorrelige structuur). Toegepast bij staalsoorten tot 0,9% koolstof en bij dieptrekwerk [54](#page=54). * **Zachtgloeien:** Verwarmen rond 740°C gevolgd door langzame afkoeling om staalsoorten met meer dan 0,9% koolstof beter verspanbaar te maken door een korreligere structuur [55](#page=55). * **Spanningvrij gloeien:** Verwarmen tot 500-600°C en langzaam afkoelen om inwendige spanningen in gegoten, gelaste of gesmede onderdelen op te heffen. Voorkomt hardingsscheurtjes [55](#page=55). #### 9.6.4 Veredelen Veredelen omvat het harden van staal gevolgd door ontlaten bij hoge temperatuur (500-600°C) [55](#page=55). * **Gevolgen:** Toename van sterkte en taaiheid, waardoor het staal bestand wordt tegen stotende belastingen [55](#page=55). * **Toepassingen:** Spillen voor slijpmachines, onderdelen voor stempels, nokken, stalen walsrollen [55](#page=55). ### 9.7 Oppervlakteharden Bij oppervlakteharden wordt alleen de oppervlaktelaag gehard, terwijl de kern zacht blijft [55](#page=55). * **Voordelen:** Maakt onderdelen slijtvast met een hard oppervlak en behoudt een taaie kern voor weerstand tegen stotende of buigende belastingen [55](#page=55). * **Methoden:** * **Cementeren (inzetten/pakharden):** Onderdelen verpakt in een koolstofhoudende stof, verhit tot 850-950°C in een afgesloten bak. De oppervlakte neemt koolstof op (tot ca. 1%), wat leidt tot harding na opnieuw verhitten en afkoelen [56](#page=56). * Dikte van de inzetlaag is afhankelijk van de duur en het inzetpoeder [56](#page=56). * Gecementeerde werkstukken zijn alleen nog door slijpen te bewerken [56](#page=56). * **Carboniseren met gas:** Verwarming in een oven omgeven door een koolstofrijk gas (koolmonoxide) [56](#page=56). * **Carboniseren in zoutbaden:** Onderdelen ondergedompeld in gesmolten zout met koolstof en stikstof, wat de oppervlakte hardbaar maakt. Werkstukken blijven nagenoeg blank [56](#page=56). * **Nitreren:** Oppervlakteharden met stikstof door verhitting in ammoniakdampen op ca. 500°C gedurende 50-120 uur. Vormt een harde laag van stikstof-ijzerverbinding [56](#page=56) [57](#page=57). * **Voordelen:** Onderdelen blijven blank, nabewerking is overbodig, zuiver op maat maken vóór nitreren, weinig kans op kromtrekken door lage temperatuur, bestand tegen oxidatie [57](#page=57). * **Toepassingen:** Cilindervoeringen, kleppen, krukassen en andere motoronderdelen [57](#page=57). * **Vlamharden:** Snel verwarmen met een brander gevolgd door plotselinge afkoeling met water. Hardingsdiepte afhankelijk van vlamtemperatuur, brander-loopsnelheid en materiaaldikte [57](#page=57). * **Inductieharden (hoogfrequentieharden):** Gebruik van wisselstromen tot 500.000 Hz om de oppervlakte van een stalen voorwerp te verwarmen [57](#page=57). * **Toepassingen:** Krukassen, nokkenassen, tandwielen [57](#page=57). ### 9.8 Aluminium (Al) Aluminium is een licht metaal met een lage soortelijke massa (ca. 2700 kg/m³). Zuiver aluminium is moeilijk te bereiden en bevat vaak sporenelementen voor verbeterde sterkte. Er ontstaat snel een dun, dicht oxidelaagje dat bescherming biedt tegen verdere oxidatie [58](#page=58). #### 9.8.1 Soorten Aluminium * **Ongelegeerd aluminium:** Bevat 99,0-99,5% aluminium [58](#page=58). * **Aluminiumkneedlegeringen:** Gelegeerd met mangaan (Mn), magnesium (Mg), koper (Cu) [58](#page=58). * **Aluminiumgietlegeringen:** Gelegeerd met silicium (Si), magnesium (Mg) [58](#page=58). #### 9.8.2 Doel van legeren * Verbetering van mechanische eigenschappen [58](#page=58). * Verbetering van gietbaarheid [58](#page=58). #### 9.8.3 Invloeden van legeringselementen * **Koper:** Vergroot treksterkte en hardheid, legering is hardbaar, vermindert corrosieweerstand iets, verhoogt elektrische geleidbaarheid [58](#page=58). * **Mangaan:** Verbetert corrosievastheid licht, verhoogt treksterkte weinig, verlaagt warmte- en elektrische geleiding iets [58](#page=58). * **Magnesium:** Vergroot treksterkte en hardheid, verlaagt warmte- en elektrische geleiding iets [58](#page=58). * **Silicium:** Vergroot treksterkte, bevordert gietbaarheid en corrosievastheid [58](#page=58). * Andere elementen (sporen): Verbeteren algemeen mechanische eigenschappen, maar koper en zink verminderen corrosieweerstand [59](#page=59). #### 9.8.4 Eigenschappen en Toepassingen van Aluminium * Tamelijk goed bestand tegen oxidatie [59](#page=59). * Goede warmte- en elektrische stroomgeleider (afname door legeren) [59](#page=59). * Niet bestand tegen soda, zeewater, zwavelzuur, zoutzuur [59](#page=59). * Zeer dun uit te walsen tot ca. 0,006 mm (aluminiumfolie) [59](#page=59). * Goed te anodiseren (kunstmatige oxidehuid) [59](#page=59). #### 9.8.5 Verbeteren van mechanische eigenschappen * **Koudvervormen:** Maakt metaal harder, stugger, verhoogt treksterkte en verlaagt rek. Hardheidsgraden worden aangeduid met Z, HH (of ½ H), ½ H, H. Ongewenste hardheid kan worden verholpen met zacht gloeien [60](#page=60). * **Warmtebehandelingen (giet- en kneedlegeringen):** * **Zacht gloeien:** Verwarmen tot ca. 350°C en langzaam afkoelen voor zachtheid en lagere treksterkte, makkelijker bewerkbaar. Wordt toegepast bij bewerkingen langer dan drie uur [61](#page=61). * **Homogeen gloeien (natuurlijke dispersieharding):** Verwarmen tot ca. 500°C en snel afkoelen. Materiaal wordt tijdelijk zacht, wordt vanzelf weer hard na ca. drie uur en bereikt oorspronkelijke hardheid na ca. vijf dagen. Toegepast bij bewerkingen korter dan drie uur [61](#page=61). * **Dispersieharden (kunstmatige dispersieharding):** Verwarmen tot 120-180°C om oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken [61](#page=61). #### 9.8.6 Bewerkbaarheid van Aluminium * Goed te verspanen [61](#page=61). * Goed te vervormen in koude toestand [61](#page=61). * Zeer dun uit te walsen (aluminiumfolie) [61](#page=61). * Moeilijk te solderen en te lassen door snelle oxidatie, maar met speciale vloeimiddelen en argon-arc lassen is het mogelijk. Ook te lijmen [61](#page=61). * Moeilijk te gieten door gasopname in vloeibare toestand [61](#page=61). * Goed te polijsten [61](#page=61). * Aluminiumlegeringen zijn over het algemeen goed te verspanen, maar met lagere snijsnelheden dan puur aluminium. Veredelde legeringen zijn minder goed te verspanen [62](#page=62). #### 9.8.7 Handelsvormen Platen (0,3 mm - 25 mm dik), aluminiumfolie (0,006 mm - 0,15 mm dik), staven en draad [62](#page=62). ### 9.9 Koper (Cu) Koper heeft een rood/gouden kleur en is een goede stroom- en warmtegeleider [63](#page=63). * Soortelijke massa: 8,95 kg/dm³ [63](#page=63). * Wordt stugger door trekken [63](#page=63). * Redelijk bestand tegen oxidatie (vormt beschermende oxidelaag) [63](#page=63). * Koperoxide is giftig [63](#page=63). * Goed verspaanbaar, soldeerbaar, niet lasbaar [63](#page=63). * **Toepassingen:** Kabels, collectoren, pijpleidingen, dakbedekkingen [63](#page=63). ### 9.10 Messing (Koper en Zink) Messing is een legering van koper en zink (minstens 10% zink) [64](#page=64). * **Eigenschappen:** Goed gietbaar en smeedbaar, beter bestand tegen oxidatie dan koper en zink afzonderlijk. Het zinkpercentage bepaalt de smelttemperatuur, hardheid, sterkte en koudvervormbaarheid [64](#page=64). * **Soorten:** Giet-, automaten-, plaat-, kneed- en soldeermessing [64](#page=64). ### 9.11 Brons Brons is een legering van koper en tin (min. 4%), met mogelijk toevoeging van zink, lood en fosfor [64](#page=64). * **Eigenschappen:** Het tinpercentage bepaalt de hardheid. Brons wordt voornamelijk gegoten en kan na het gieten niet meer spaanloos vervormd worden [64](#page=64). ### 9.12 Corrosie Corrosie is de aantasting van metalen door chemische invloeden, zoals water, zuren, zouten of dampen. Oxidatie, de aantasting door zuurstof, is een veelvoorkomende vorm [65](#page=65). #### 9.12.1 Nadelen van corrosie * Verlies of onbruikbaar worden van metalen voorwerpen [65](#page=65). * Vermindering van de sterkte van het aangetaste metaal [65](#page=65). * Hoge kosten voor herstel of vervanging van gecorrodeerde onderdelen [65](#page=65). #### 9.12.2 Vormen van corrosie * **Gelijkmatige corrosie:** Het metaal wordt geheel aangetast door contact met gassen, dampen bij hoge temperaturen of zuren en zouten [65](#page=65). * **Putvormige corrosie:** Ontstaat bij metaallegeringen (bv. messing) in contact met water of zuren, of door vuil dat plaatselijke aantasting veroorzaakt [65](#page=65). * **Interkristallijne corrosie:** Komt voor bij legeringen waar legeringselementen niet volledig zijn opgelost, zoals chroom-nikkelstaal met te veel koolstof. Scheurvorming kan ontstaan tussen kristallen door vochtindringing, leidend tot aantasting langs de kristalgrenzen [65](#page=65). * **Galvanische corrosie:** Ontstaat wanneer twee verschillende metalen met elkaar in contact komen. Een potentiaalverschil leidt tot elektrolyten, en bij aanwezigheid van vocht wordt het minst edele metaal aangetast [65](#page=65). --- Dit gedeelte beschrijft de chemische principes achter corrosie, met name spanningscorrosie, en de factoren die hierbij een rol spelen [66](#page=66). ### 9.1 Elektrochemische corrosieprincipes Corrosie, in de context van dit document, wordt beschreven vanuit een elektrochemisch perspectief, waarbij spanningen tussen verschillende metalen een centrale rol spelen [66](#page=66). #### 9.1.1 Anode en kathode Bij het optreden van een elektrische spanning tussen twee metalen, waarbij de ene minder edel is dan de andere, ontstaat een elektronenstroom in een vloeibare omgeving [66](#page=66). * De plaat die de elektronen de vloeistof in stuurt, wordt de anode genoemd [66](#page=66). * De plaat die de elektronen uit de vloeistof ontvangt, wordt de kathode genoemd [66](#page=66). * De anode zal oxideren en na verloop van tijd door deze oxidatie verteren, terwijl de kathode niet wordt aangetast [66](#page=66). ### 9.2 Spanningscorrosie (scheurvormige corrosie) Spanningscorrosie, ook wel scheurvormige corrosie genoemd, ontstaat wanneer de inwendige spanningen in het metaal te hoog worden, specifiek in de buitenste laag van het metaal [66](#page=66). #### 9.2.1 Oorzaken van inwendige spanningen Inwendige spanningen in metalen kunnen verschillende oorzaken hebben [66](#page=66): * **Verspanende bewerkingen:** Dit geldt in het bijzonder voor eenzijdige bewerkingen [66](#page=66). * **Gebruik van botte gereedschappen:** Verspanen met niet voldoende scherpe gereedschappen kan leiden tot verhoogde spanningen [66](#page=66). #### 9.2.2 Ontstaan van scheuren De scheuren of scheurtjes die als gevolg van deze spanningen ontstaan, kunnen langs de kristalgrenzen lopen of er direct doorheen [66](#page=66). #### 9.2.3 Bevordering van spanningscorrosie Spanningscorrosie wordt sterk bevorderd door het binnendringen van vocht direct nadat het eerste spanningsscheurtje is ontstaan. Vaak is het metaal direct naast de ontstane scheur niet aangetast door interkristallijne corrosie [66](#page=66). > **Tip:** Begrijpen van de interactie tussen interne metaalspanningen, omgevingsfactoren (zoals vocht) en de elektrochemische aard van corrosie is cruciaal voor het voorkomen van materiaalafbraak [66](#page=66). > **Example:** Stel je een metaalconstructie voor die onder constante mechanische belasting staat en ook blootgesteld wordt aan een corrosieve omgeving. Inwendige spanningen, mogelijk geïntroduceerd tijdens de productie, kunnen dan in combinatie met het vocht leiden tot het geleidelijk ontstaan en uitbreiden van scheuren, zelfs als de algemene corrosie op het oppervlak minimaal lijkt [66](#page=66). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | α-ijzer (alfa-ijzer) | De allotropische vorm van zuiver ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, dat magnetische eigenschappen verliest bij 768 °C. | | γ-ijzer (gamma-ijzer) | De allotropische vorm van ijzer met een kubisch vlakken gecentreerd rooster, die ontstaat bij 906 °C uit α-ijzer. | | δ-ijzer (delta-ijzer) | De allotropische vorm van ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, die ontstaat bij 1401 °C uit γ-ijzer en smelt bij 1528 °C. | | TT-diagram (temperatuur-tijddiagram) | Een grafische weergave waarin de temperatuur verticaal en de tijd horizontaal wordt uitgezet om het gedrag van materialen bij verwarming en afkoeling te tonen, met specifieke aandacht voor haltepunten waar de temperatuur constant blijft. | | Haltepunten | Specifieke temperaturen in een TT-diagram waarbij de temperatuur gedurende een bepaalde tijd niet verandert, wat duidt op een faseovergang of stollingsproces. | | Cementiet (Fe₃C) | Een chemische verbinding van ijzer en koolstof, bestaande uit 93,3% ijzer en 6,67% koolstof, die een vaste samenstelling heeft en een belangrijke rol speelt in ijzer-koolstoflegeringen. | | Ferriet | IJzer met een zeer laag koolstofgehalte, kleiner dan 0,03%, gekenmerkt door een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster en relatief zachte eigenschappen. | | Austeniet (γ-mengkristallen) | Vormen van ijzer-koolstofmengsels met een kubisch vlakken gecentreerd rooster die ontstaan in vloeibare ijzer-koolstoflegeringen met 0% tot 4,3% koolstof boven de lijn ABCD in het ijzer-koolstofdiagram. | | Solidus | De lijn in een fase-diagram (zoals het ijzer-koolstofdiagram) die de temperatuur aangeeft waaronder alle legeringen volledig vast zijn. In het ijzer-koolstofdiagram is dit de lijn AECF. | | Perliet | Een eutecticum van ferriet en cementiet dat ontstaat bij een koolstofgehalte van 0,86% bij 721 °C, bestaande uit fijne lamellen van ferriet en cementiet. | | Ledeburiet | Een eutecticum van austeniet en cementiet dat ontstaat bij een koolstofgehalte van 4,3%, bestaande uit fijne kristallen van cementiet en austeniet. | | Ongelegeerd staal | Staal dat voornamelijk uit ijzer en koolstof bestaat, waarbij de eigenschappen sterk afhankelijk zijn van het koolstofgehalte en andere elementen slechts in geringe, onopzettelijke hoeveelheden aanwezig zijn. | | Treksterkte | De maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voordat het breekt. Bij ongelegeerd staal neemt de treksterkte toe met een hoger koolstofgehalte. | | Rek | De mate van vervorming die een materiaal ondergaat voordat het breekt. Bij ongelegeerd staal neemt de rek af bij een hoger koolstofgehalte. | | Hardheid | De weerstand van een materiaal tegen indrukking of krassen. Bij ongelegeerd staal neemt de hardheid toe met een hoger koolstofgehalte. | | Taaiheid | Het vermogen van een materiaal om energie te absorberen voordat het breekt, wat vaak wordt geassocieerd met de weerstand tegen scheurvorming. Bij ongelegeerd staal neemt de taaiheid af bij een hoger koolstofgehalte. | | Hardbaar staal | Staal dat, bij een koolstofgehalte van meer dan 0,35%, geschikt is voor warmtebehandelingen om de hardheid te verhogen. | | Schadelijke elementen | Elementen zoals fosfor en zwavel die ongewenst zijn in staal omdat ze de treksterkte negatief beïnvloeden en de lasbaarheid verminderen. | | Staal voor algemeen gebruik | Staal waarvan de mechanische eigenschappen en chemische samenstelling binnen bepaalde grenzen vallen en waarvoor geen specifieke warmtebehandelingen zijn voorgeschreven. | | Vloeigrens | De spanning waarbij een materiaal begint te plastisch te vervormen, wat betekent dat de vervorming permanent wordt. | | Kwaliteitsstaal | Staal dat voldoet aan specifieke kwaliteitseisen met betrekking tot natuurkundige, mechanische, chemische of technologische eigenschappen. | | Natuurkundige eigenschappen | Eigenschappen van staal die betrekking hebben op fysische aspecten, zoals elektrische geleidbaarheid en magnetische kenmerken. | | Technologische eigenschappen | Eigenschappen van staal die gerelateerd zijn aan de verwerkbaarheid en toepasbaarheid, zoals vervormbaarheid, lasbaarheid en verspaanbaarheid. | | Ruwijzer | Een ijzer-koolstoflegering met een hoog koolstofgehalte (ongeveer 4% tot 5%) en vaak aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor en mangaan, evenals niet-metallische insluitsels, die als uitgangsmateriaal voor staalbereiding dient. | | Raffinage | Het proces van het zuiveren van ruwijzer tot staal door het verwijderen van ongewenste elementen en verontreinigingen, voornamelijk door middel van oxidatie. | | Oxystaalproces | Een staalraffinageproces waarbij gesmolten ruwijzer en schroot in een peervormige convertor worden gevuld, waarna zuurstof met hoge snelheid op het metaalbad wordt geblazen om koolstof en andere verontreinigingen te oxideren en te verwijderen. | | Haardovenproces (Siemens-Martin-proces) | Een staalbereidingsproces dat gebruikmaakt van een ondiepe, rechthoekige oven die op temperatuur wordt gehouden door de verbranding van brandstof en lucht boven het gesmolten metaal, waarbij lucht wordt toegevoerd om koolstof te oxideren en andere verontreinigingen te verminderen. | | 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 speciale legeringen. | | Insluitsels | Kleine deeltjes van niet-metallisch materiaal, zoals oxiden (bijvoorbeeld aluminiumoxide), silicaten en sulfiden, die zich vormen tijdens het smelten en raffineren van staal en de eigenschappen ervan negatief kunnen beïnvloeden. | | Vacuümsmelten of omsmelten | Een groep methoden voor het verkrijgen van staalsoorten met hoge zuiverheid, waarbij gesmolten staal wordt blootgesteld aan vacuüm om opgeloste gassen te verwijderen en vaste insluitsels te laten verdampen. | | Vacuümontgassen | Een vacuümraffinageproces waarbij gesmolten staal wordt geroerd en in een grote luchtledige ruimte tot ingots wordt gegoten om opgeloste gassen te verwijderen. | | Vacuüm boogomsmelten | Een veelgebruikte vacuümraffinagemethode waarbij ingots opnieuw worden gesmolten door een elektrische boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een koperen vorm, waardoor insluitsels effectief worden verwijderd. | | Vacuüminductiesmelten | Een proces waarbij vast schroot of vloeibare ladingen in een vuurvast vat worden gesmolten met behulp van inductiestromen met hoge frequentie binnen een vacuümruimte. | | Elektronenstraalraffinage | Een methode waarbij gesmolten metaal in een vacuümruimte via een stortgoot wordt gegoten en tegelijkertijd met een elektronenbundel wordt bestraald, waardoor verontreinigingen verdampen en worden verwijderd. | | Argon-zuurstofontkoling | Een chemisch reactieproces waarbij argon en zuurstof in een gesmolten lading worden geblazen om het gehalte aan koolstof, zwavel en andere verontreinigingen te verminderen, terwijl argon de smelt beroert en de verwijdering van oxiden en gassen bevordert. | | Term | Definitie | | Gelegeerd staal | Staalsoorten die zijn gelegeerd met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om betere eigenschappen te verkrijgen dan ongelegeerd staal, waardoor ze geschikter worden voor specifieke toepassingen. | | Legeringselementen | Metalen en niet-metalen die aan staal worden toegevoegd om de eigenschappen ervan te verbeteren, zoals mangaan, silicium, chroom en nikkel. | | Laaggelegeerd staal | Staalsoorten met een percentage legeringbestanddelen van maximaal 5% en een koolstofgehalte dat niet hoger is dan 0,2%. Deze staalsoorten hebben vaak een hoge rekgrens en een fijne structuur. | | Gelegeerd staal (hoog gelegeerd) | Staalsoorten waarvan het percentage legeringbestanddelen hoger is dan 5%. De specifieke kwaliteiten zijn afhankelijk van de soort en hoeveelheid legeringselementen in samenhang met het koolstofgehalte. | | Mangaanstaal | Staal dat gelegeerd is met 1 tot circa 15% mangaan, wat resulteert in een grote slijtvastheid en een variërende treksterkte afhankelijk van het mangaangehalte. | | Chroomstaal | Staal dat gelegeerd is met 1 tot circa 30% chroom. Chroom verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid van het staal en maakt het corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen bij hogere chroomgehaltes. | | Corrosievaststaal | Een type staal dat, met name bij een chroomgehalte van 11% of meer, bestand is tegen corrosie en hoge temperaturen. Dit wordt vaak bereikt door legering met chroom. | | Slijtvastheid | De eigenschap van een materiaal om weerstand te bieden aan slijtage door wrijving of impact. Mangaanstaal staat bekend om zijn hoge slijtvastheid. | | Rekgrens | De spanning waarbij een materiaal begint plastisch te vervormen. Laaggelegeerd staal kan een hoge rekgrens hebben, variërend van circa 300 tot 900 MPa. | | Aluminium | Een licht metaal met een lage soortelijke massa van ongeveer 2700 kg/m², dat van nature een dunne, dichte oxidelaag vormt die het onderliggende metaal beschermt tegen verdere oxidatie. | | Ongelegeerd aluminium | Aluminium dat een hoog gehalte aan aluminium bevat, namelijk tussen 99,0% en 99,5%, met slechts kleine percentages aan andere elementen. | | Aluminiumkneedlegeringen | Legeringen van aluminium die specifiek zijn samengesteld om door middel van vervorming (zoals walsen of persen) bewerkt te kunnen worden, en die gelegeerd zijn met elementen zoals mangaan, magnesium en koper. | | Aluminiumgietlegeringen | Legeringen van aluminium die ontworpen zijn voor gietprocessen en gelegeerd zijn met elementen zoals silicium en magnesium om de gietbaarheid en mechanische eigenschappen te verbeteren. | | Legeren | Het toevoegen van één of meer elementen aan een metaal, zoals aluminium, om de mechanische eigenschappen, zoals treksterkte en hardheid, of de gietbaarheid te verbeteren. | | Koudvervormen | Een bewerkingsproces waarbij metaal, zoals aluminiumkneedlegeringen, wordt vervormd bij kamertemperatuur, wat resulteert in een toename van hardheid en treksterkte, en een afname van de rek. | | Zacht gloeien | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen worden verwarmd tot ongeveer 350°C en langzaam worden afgekoeld, waardoor het materiaal zachter wordt, de treksterkte afneemt en het beter bewerkbaar is. | | Homogeen gloeien | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen tot ongeveer 500°C worden verwarmd en snel worden afgekoeld, wat resulteert in tijdelijke verzachting en de mogelijkheid tot verdere bewerking, waarna het materiaal vanzelf weer hard wordt. | | Natuurlijke dispersieharding | Het proces waarbij een gehomogeen gegloeide aluminiumlegering na verloop van tijd vanzelf weer hard wordt door een moleculaire structuurverandering, wat leidt tot een toename van de hardheid. | | Kunstmatige dispersieharding | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen gedurende enige tijd worden verwarmd op een temperatuur tussen 120°C en 180°C, gevolgd door afkoeling, om de oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken dan bij natuurlijke dispersieharding. | | Anodiseren | Een elektrochemisch proces waarbij een kunstmatige oxidelaag op het oppervlak van aluminium of aluminiumlegeringen wordt aangebracht om de corrosieweerstand te vergroten en het metaal te beschermen. | | Kathodische bescherming | Een methode om corrosie te bestrijden waarbij een minder edel metaal (de anode) wordt geofferd om het te beschermen metaal (de kathode) te voorkomen dat het wordt aangetast door elektrolytische werking. | | Stollingsdiagram (Toestandsdiagram) | Een grafische weergave die het begin- en eindpunt van het stollingstraject voor elke mogelijke mengverhouding van een legering vastlegt. Het toont de fasen die aanwezig zijn bij verschillende temperaturen en samenstellingen. | | Stollingstraject | Het temperatuurbereik waarin een legering van een vloeibare naar een vaste toestand overgaat. Tijdens dit traject is de legering vaak brijachtig of bestaat uit een mengsel van vloeistof en vaste kristallen. | | Mengkristal | Een vaste oplossing waarbij de atomen van het ene metaal in het rooster van het andere metaal zijn opgenomen, waardoor een homogene vaste fase ontstaat. Dit treedt op wanneer metalen in vaste toestand in elkaar oplosbaar zijn. | | Eutecticum | Een specifieke legeringssamenstelling die bij een constante temperatuur stolt, in plaats van een stollingstraject te hebben. Het bestaat uit een mengsel van zeer fijne kristallen van de samenstellende metalen met een fijnkorrelige structuur. | | Liquiduslijn | De lijn in een stollingsdiagram die de temperatuur aangeeft waarbij de legering volledig vloeibaar is. Boven deze lijn bevindt de legering zich volledig in de vloeibare fase. | | Soliduslijn | De lijn in een stollingsdiagram die de temperatuur aangeeft waarbij de legering volledig vast is. Beneden deze lijn bevindt de legering zich volledig in de vaste fase. | | Ontmengen | Het proces waarbij een vaste legering, die oorspronkelijk een homogene mengkristalstructuur had, bij afkoeling een deel van een van de componenten afscheidt als aparte kristallen. Dit gebeurt wanneer de oplosbaarheid van de metalen in vaste toestand afneemt met dalende temperatuur. | | Harden | Harden is een warmtebehandeling waarbij de sterkte en hardheid van een metaallegering, zoals staal, wordt verhoogd door het materiaal boven een bepaalde temperatuur te verhitten en vervolgens snel af te koelen, zodat martensiet ontstaat. Bij staal wordt het materiaal opgewarmd tot in het austenietgebied en snel afgekoeld om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen, wat leidt tot verhoogde hardheid en slijtvastheid. | | Ontlaten | Ontlaten, ook wel aanlaten genoemd, is een warmtebehandeling die na het harden wordt toegepast om de brosheid van staal te verminderen. Het werkstuk wordt verwarmd tot een temperatuur tussen 200 °C en 330 °C en vervolgens afgekoeld, waardoor de hardheid afneemt, de taaiheid toeneemt en interne materiaalspanningen grotendeels verdwijnen. | | Gloeien | Gloeien is een verzamelnaam voor verschillende warmtebehandelingen die worden toegepast om de eigenschappen van staal te verbeteren, zoals het verzachten, het verfijnen van de kristalstructuur of het verwijderen van inwendige spanningen. Dit proces omvat het verhitten van het staal tot een specifieke temperatuur gevolgd door een langzame afkoeling. | | Uitgloeien | Uitgloeien is een gloeiproces dat wordt toegepast om gehard staal weer bewerkbaar te maken, bijvoorbeeld voor reparaties of wanneer het staal harde plekken vertoont. Het staal wordt verwarmd tot de hardingstemperatuur en daarna langzaam afgekoeld, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de hardheid. | | Normaalgloeien | Normaalgloeien wordt toegepast om grove kristallen in staal, ontstaan door processen zoals smeden of persen, om te zetten in fijne kristallen, wat resulteert in een fijnkorrelige structuur. Dit verbetert de sterkte en bewerkbaarheid van het staal en wordt toegepast bij staalsoorten met maximaal 0,9% koolstof. | | Zachtgloeien | Zachtgloeien is een warmtebehandeling die wordt toegepast op staalsoorten met meer dan 0,9% koolstof om de verspaanbaarheid te verbeteren. Het staal wordt verwarmd tot ongeveer 740 °C en langzaam afgekoeld, wat leidt tot een korreligere structuur en daardoor een betere bewerkbaarheid. | | Spanningvrij gloeien | Spanningvrij gloeien is een warmtebehandeling die wordt toegepast om inwendige spanningen in gegoten, gelaste of gesmede onderdelen te elimineren, die anders tot breuk of vervorming kunnen leiden. Het werkstuk wordt verwarmd tot 500 °C à 600 °C en langzaam afgekoeld, wat het ontstaan van hardingsscheurtjes bij een latere harden voorkomt. | | Veredelen | Veredelen is een warmtebehandeling waarbij staal eerst wordt gehard en vervolgens bij een hoge temperatuur (500 °C à 600 °C) wordt ontlaten. Dit proces verhoogt zowel de sterkte als de taaiheid van het staal, waardoor het bestand wordt tegen stotende belastingen en geschikt is voor toepassingen zoals spindels en stempels. | | Oppervlakteharden | Oppervlakteharden is een proces waarbij alleen de oppervlaktelaag van een onderdeel wordt gehard, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit is nuttig voor onderdelen die slijtvast moeten zijn aan het oppervlak en tegelijkertijd bestand tegen belastingen door hun taaie kern. | | Cementeren | Cementeren, ook wel inzetten of pakharden genoemd, is een oppervlaktehardingsmethode waarbij staal wordt verpakt in een koolstofhoudende stof en gedurende enkele uren op een temperatuur van circa 850 °C à 950 °C wordt verhit. De oppervlakte neemt koolstof op, waarna het onderdeel opnieuw wordt verhit tot de hardingstemperatuur en snel wordt afgekoeld, wat resulteert in een harde oppervlakte met een hoog koolstofgehalte. | | Carboniseren met gas | Carboniseren met gas is een oppervlaktehardingsmethode waarbij onderdelen in een oven worden verwarmd in een atmosfeer van een koolstofrijk gas, zoals koolmonoxide. Het metaaloppervlak neemt in gloeiende toestand koolstof op uit de gasvlam, waarna de werkstukken vaak direct worden afgekoeld. | | Carboniseren in zoutbaden | Carboniseren in zoutbaden is een methode waarbij onderdelen worden gedompeld in gesmolten zout dat koolstof en stikstof bevat. Beide elementen beïnvloeden de oppervlakte zodanig dat deze hardbaar wordt, waarna de werkstukken worden afgekoeld in water of olie. Een voordeel is dat de werkstukken nagenoeg blank blijven. | | Nikkelstaal | Een staallegering met een nikkelgehalte variërend van 2% tot 50%. Nikkel verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid van staal. Bij specifieke nikkelgehaltes vertoont het staal uitzonderlijke eigenschappen zoals grote taaiheid bij zeer lage temperaturen, corrosievastheid, een lage uitzettingscoëfficiënt (invarstaal) of uitstekende magnetische eigenschappen. | | Chroom-nikkelstaal | Een hoogwaardige staalsoort gelegeerd met 12% tot 26% chroom en 1% tot 20% nikkel. Deze legering is over het algemeen zuur- en corrosiebestendig en hittevast. Bekende varianten, zoals de 18/8 kwaliteit, worden toegepast in de voedingsmiddelenindustrie, chemische installaties en voor onderdelen van verbrandingsmotoren. | | Roestvast staal | Staal dat goed bestand is tegen oxidatie en agressieve chemische stoffen, gelegeerd met minimaal 11% chroom. Het chroom vormt een beschermend oxidelaagje. Roestvast staal wordt onderverdeeld in chroomstaal, chroom-nikkelstaal en kan verder gelegeerd zijn met elementen zoals molybdeen, zwavel, selenium en titaan om specifieke eigenschappen zoals putcorrosiebestendigheid, verspaanbaarheid of lasbaarheid te verbeteren. | | Ferritisch roestvast staal | Een type roestvast staal met een specifieke kristallijne structuur, gekenmerkt door een chroomgehalte van 12% tot 26%. Deze staalsoorten worden toegepast in turbineschoepen, apparaten voor de aardolie- en chemische industrie, en voor sierdoeleinden in de automobielbouw en keukengerei. | | Martensitisch roestvast staal | Een type roestvast staal dat hardbaar is en een chroomgehalte heeft van 11,5% tot 18%. Het wordt gebruikt voor onderdelen die in contact komen met water en stoom, zoals assen voor waterpompen, kranen, huishoudelijke artikelen en scharen. | | Austenitisch roestvast staal | Een type roestvast staal met een austenitische kristallijne structuur, typisch gelegeerd met chroom en nikkel. Deze staalsoorten zijn zeer corrosiebestendig en hittevast, en worden toegepast in keukengerei, opslagtanks, pijpleidingen, installaties voor de voedingsmiddelen- en chemische industrie, en voor onderdelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld. | | Verenstaal | Een staallegering die gelegeerd kan zijn met elementen zoals chroom, vanadium, silicium en mangaan. Deze legeringen danken hun grote veerkracht aan de toevoeging van silicium en vanadium, waarbij vanadium ervoor zorgt dat de veerkracht bij hoge temperaturen behouden blijft. Het wordt gebruikt voor de productie van diverse technische veren. | | Slak | Een vloeibaar bijproduct dat zich boven het gesmolten ijzer in een hoogoven verzamelt en wordt gevormd door de binding van silicaten uit het gesteente met toegevoegde kalk, dient voor het verwijderen van verontreinigingen uit het ijzererts. | | Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met een of meer andere elementen, om specifieke eigenschappen te verkrijgen die verschillen van de oorspronkelijke componenten. | | Koolstofgehalte | De hoeveelheid koolstof die aanwezig is in een metaallegering, uitgedrukt als een percentage van het totale gewicht, wat cruciaal is voor de eigenschappen van staal en gietijzer. | | Oxidatie | Een chemisch proces waarbij een stof reageert met zuurstof, in de context van staalbereiding wordt het gebruikt om onzuiverheden zoals koolstof, silicium, mangaan, zwavel en fosfor uit ruwijzer te verwijderen. | | Vacuümsmelten | Een raffinagetechniek waarbij gesmolten staal wordt blootgesteld aan een vacuüm om opgeloste gassen te laten ontsnappen en vaste insluitsels te laten verdampen, wat resulteert in een hogere zuiverheid van het staal. | | Gietpanraffinage | Een relatief nieuwe raffinagemethode waarbij vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen met een argonlans in gesmolten metaal worden geïnjecteerd om verontreinigingen zoals zuurstof en zwavel te verwijderen. |

# Begrippen en leerdoelen van materiaalgedrag Dit gedeelte introduceert de kernconcepten zoals stijfheid en elastisch gedrag van materialen en schetst de leerdoelen van het hoofdstuk [1](#page=1). ### 1.1 Leerdoelen van het hoofdstuk De leerdoelen van dit hoofdstuk zijn gericht op het begrijpen en toepassen van de basisprincipes van materiaalgedrag. Specifiek worden de volgende leerdoelen nagestreefd [2](#page=2): * Uitleggen wat stijfheid en elastisch gedrag betekenen in de context van materialen [2](#page=2). * Het verband beschrijven tussen kracht, vervorming, spanning en rek [2](#page=2). * De elasticiteitsmodulus, schuifmodulus en Poissoncoëfficiënt definiëren en toepassen [2](#page=2). * Verschillende testmethodes kennen en hun nut verklaren [2](#page=2). * Berekeningen uitvoeren met betrekking tot spanning, rek en stijfheid [2](#page=2). ### 1.2 Inleiding tot materiaalgedrag Het begrijpen van materiaalgedrag is essentieel voor het ontwerpen van veilige en functionele structuren. Een belangrijk aspect hierin is de reactie van een materiaal op externe krachten, waarbij concepten als stijfheid en elastisch gedrag centraal staan. De mate waarin een structuur mag meebuigen is een cruciale overweging, zoals geïllustreerd door de vraag of men in een wolkenkrabber zou stappen die niet een beetje meebuigt. Dit impliceert dat een zekere mate van vervorming acceptabel kan zijn, afhankelijk van de toepassing [1](#page=1) [3](#page=3) [4](#page=4). > **Tip:** Denk bij stijfheid aan hoe makkelijk een materiaal vervormt onder belasting. Een stijf materiaal vervormt weinig, terwijl een minder stijf materiaal meer zal buigen of rekken [1](#page=1). --- # Karakterisering van materiaalgedrag onder uniaxiale belasting Dit deel van de studiehandleiding focust op de relatie tussen kracht, vervorming, spanning en rek bij uniaxiale belasting, en introduceert fundamentele materiaaleigenschappen zoals de elasticiteitsmodulus, schuifmodulus en Poissoncoëfficiënt. Uniaxiale belasting treedt op wanneer een kracht in slechts één richting wordt uitgeoefend, zonder beperkingen in de andere richtingen [19](#page=19) [20](#page=20). ### 2.1 Spanning en rek Spanning en rek zijn toestandsgrootheden die de toestand van een materiaal beschrijven [26](#page=26). * **Rek ($\epsilon$)** wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de verlenging ($\Delta L$) en de oorspronkelijke lengte ($L_0$). Dit wordt ook wel *technische rek* genoemd, en wordt berekend met de formule [25](#page=25): $$ \epsilon_t = \frac{\Delta L}{L_0} $$ De eenheid van rek is eenheidsloos, maar wordt vaak uitgedrukt in percentages of microrek [26](#page=26). * **Spanning ($\sigma$)** is de kracht ($F_z$) per oorspronkelijke oppervlakte-eenheid ($A_0$) van het materiaal. Dit wordt ook wel *technische normaalspanning* genoemd, en wordt berekend met de formule [25](#page=25): $$ \sigma_t = \frac{F_z}{A_0} $$ De eenheid van spanning is N/m² of Pascal (Pa), maar vaker wordt N/mm² of MPa gebruikt [26](#page=26). > **Tip:** Spanning en rek zijn toestandsgrootheden, wat betekent dat ze de toestand van een materiaal beschrijven, vergelijkbaar met temperatuur. Ze zijn echter geen materiaaleigenschappen op zich [26](#page=26). **Oefening:** a) Een cilindrische staaf met een diameter van 8,00 mm wordt belast met een trekkracht van 2500 N. Bereken de spanning [27](#page=27). b) Is de spanning groter of kleiner als de trekkracht groter is [27](#page=27)? c) Is de spanning groter of kleiner als het voorwerp een grotere diameter heeft [27](#page=27)? **Oefening:** Als de oorspronkelijke lengte van een staaf 50,00 mm is, wat is dan de rek onder belasting wanneer het verlengd wordt tot 50,15 mm [28](#page=28)? ### 2.2 De trekproef De trekproef is een standaardmethode om de materiaaleigenschappen te bepalen door een proefstaaf uniaxiaal tot breuk te belasten. Tijdens de trekproef worden diverse meetinstrumenten gebruikt om de kracht en de verlenging te registreren [29](#page=29) [30](#page=30). #### 2.2.1 Meetinstrumentatie bij de trekproef De volgende instrumenten worden doorgaans gebruikt bij een trekproef: * Krachtcel voor het meten van de kracht [30](#page=30). * Rekstrookjes, extensometers of digitale camera's voor het meten van de verlenging en balkverplaatsing [30](#page=30). ### 2.3 Elasticiteitsmodulus (Young's modulus) De elasticiteitsmodulus, ook wel Young's modulus of E-modulus genoemd, is een materiaaleigenschap die de stijfheid van een materiaal in het lineair elastische gebied beschrijft [32](#page=32). * **Definitie:** De elasticiteitsmodulus is de helling van de spanning-rek curve in het lineair elastische gebied, zoals beschreven door de Wet van Hooke [32](#page=32). * **Formule:** $$ E = \left. \frac{\Delta \sigma}{\Delta \epsilon} \right|_{\epsilon=0} = \left. \frac{\sigma}{\epsilon} \right|_{\epsilon=0} $$ In het lineair elastische gebied geldt de relatie: $\sigma = E \epsilon$ [32](#page=32). * **Eenheid:** GPa of kN/mm² [32](#page=32). **Voorbeelden van elasticiteitsmoduli van verschillende materialen:** * Staal: 210 GPa [33](#page=33). * Aluminium: 70 GPa [33](#page=33). * Koper: 124 GPa [33](#page=33). * Polycarbonaat: 2,6 GPa [33](#page=33). * Rubber: 0,01-0,1 GPa [33](#page=33). #### 2.3.1 Niet-lineair elastisch gedrag Voor sommige materialen, zoals polymeren, is het elastische gedrag niet-lineair. In dergelijke gevallen worden verschillende moduli gebruikt om de stijfheid te beschrijven: * **Tangent modulus:** De helling van de raaklijn aan de curve op een specifiek punt. $$ E = \left. \frac{d\sigma}{d\epsilon} \right|_{\epsilon_2} $$ * **Secant modulus:** De helling van een lijn getrokken van de oorsprong naar een specifiek punt op de curve. $$ E = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \epsilon} \quad \text{voor } \epsilon_0, \epsilon $$ * **Koord modulus:** De helling van een lijn getrokken tussen twee specifieke punten op de curve. $$ E = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \epsilon} \quad \text{voor } \epsilon_1, \epsilon_2 $$ **Oefening:** a) Een koperen staaf met een rechthoekige doorsnede van 15,2 mm x 19,1 mm wordt onderworpen aan een trekkracht van 44500 N, waarbij enkel elastische vervorming optreedt. De elasticiteitsmodulus van het gebruikte koper is 110 GPa. Bereken de resulterende rek [35](#page=35). b) Zou de rek groter of kleiner zijn voor een staaf met dezelfde afmetingen, maar gemaakt uit een materiaal met een lagere elasticiteitsmodulus (bij eenzelfde trekbelasting) [35](#page=35)? **Oefening:** Een cilindrisch staal van een nikkellegering met E-modulus van 207 GPa en een oorspronkelijke diameter van 10,2 mm vervormt elastisch bij een belasting van 8900 N. Bereken de maximum lengte vóór vervorming voor een max. toelaatbare verlenging van 0,25 mm [36](#page=36). ### 2.4 Dwarscontractie en de Poissoncoëfficiënt Wanneer een materiaal wordt belast in één richting, treedt er vaak ook een vervorming op in de dwarsrichtingen. De Poissoncoëfficiënt beschrijft deze transversale vervorming. * **Poissoncoëfficiënt ($\nu$)** is de verhouding tussen de negatieve transversale rek ($\epsilon_x$ of $\epsilon_y$) en de longitudinale rek ($\epsilon_z$) in het lineair elastische gebied, wanneer het materiaal uniaxiaal wordt belast [38](#page=38). * **Formule:** $$ \nu = -\frac{\epsilon_x}{\epsilon_z} $$ Onder uniaxiale belasting in de z-richting geldt: $$ \sigma_z = \frac{F}{A_0} $$ $$ \epsilon_x = -\nu \epsilon_z $$ $$ \epsilon_y = -\nu \epsilon_z $$ $$ \epsilon_z = \frac{\sigma_z}{E} $$ * **Typische waarden:** De Poissoncoëfficiënt ligt meestal tussen 0 en 0,5. Een waarde van 0,5 duidt op incompressibiliteit (volume behoudt zich) [38](#page=38) [42](#page=42). * **Gevolg:** De dwarsdoorsnede van het materiaal verandert onder belasting [38](#page=38). **Oefening:** a) Een cilindrische stalen staaf met een diameter van 15,2 mm en een lengte van 250 mm wordt elastisch vervormd met een trekkracht van 48900 N. De E-modulus van staal is 207 GPa. Bereken de verlenging van de staaf bij de opgelegde spanning [39](#page=39). b) Bereken bij ditzelfde voorbeeld de verandering in diameter van de staaf. De Poissoncoëfficiënt voor staal is 0,300 [39](#page=39). ### 2.5 Ware spanning en ware rek Naast de technische spanning en rek bestaat ook de *ware spanning* en *ware rek*. Deze definities houden rekening met de veranderende doorsnede en lengte van het materiaal tijdens de vervorming [40](#page=40). * **Ware rek ($\epsilon_w$)**: $$ \epsilon_{w,z} = \int_{L_0}^{L_1} \frac{dL}{L} = \ln\left(\frac{L_1}{L_0}\right) $$ De ware transversale rek wordt gedefinieerd als: $$ \epsilon_{w,x} = \ln\left(\frac{w_1}{w_0}\right) $$ $$ \epsilon_{w,y} = \ln\left(\frac{t_1}{t_0}\right) $$ * **Ware spanning ($\sigma_w$)**: $$ \sigma_w = \frac{F}{A} $$ waar $A$ de actuele doorsnede is tijdens de belasting [40](#page=40). * **Relaties tussen ware en technische spanning/rek:** $$ \sigma_w = \sigma_t \left(1 + \epsilon_t\right) $$ $$ \epsilon_{w,z} = \ln\left(1 + \epsilon_t\right) $$ Voor kleine vervormingen ($\epsilon_t < 5\%$) zijn de technische en ware waarden nagenoeg gelijk [41](#page=41). ### 2.6 Volumeverandering De volumeverandering ($\epsilon_v$) tijdens uniaxiale belasting kan worden uitgedrukt in termen van de ware rekken in de drie richtingen of de longitudinale ware rek en de Poissoncoëfficiënt [42](#page=42). * **Algemene formule:** $$ \epsilon_{v} = \epsilon_{x,w} + \epsilon_{y,w} + \epsilon_{z,w} $$ * **Voor uniaxiale belasting en elastisch gebied:** $$ \epsilon_{v} = \epsilon_{z,w} (1 - 2\nu) $$ In het elastische gebied verandert het volume als $\nu \neq 0,5$ [42](#page=42). ### 2.7 Complexe belasting De principes van uniaxiale belasting kunnen worden uitgebreid naar meer complexe belastingsituaties, zoals biaxiale of triaxiale belasting, door de vervormingen in elke richting op te tellen volgens de algemene constitutieve vergelijkingen [43](#page=43). Voor een algemene spanningstoestand geldt: $$ \epsilon_x = \frac{1}{E} (\sigma_x - \nu \sigma_y - \nu \sigma_z) $$ $$ \epsilon_y = \frac{1}{E} (\sigma_y - \nu \sigma_x - \nu \sigma_z) $$ $$ \epsilon_z = \frac{1}{E} (\sigma_z - \nu \sigma_y - \nu \sigma_x) $$ **Oefening:** Een cilindrische staaf heeft een oorspronkelijk lengte van 50,0 mm en diameter van 2,50 mm. Wat is de rek en de spanning wanneer de staaf onder een trekkracht van 4500 N verlengd wordt tot 51,7 mm [44](#page=44)? --- # Elastische limieten en energieopslag Dit gedeelte behandelt de elasticiteitsgrens, het onderscheid tussen elastische en plastische vervorming, en de opslag van elastische energie in materialen. ### 3.1 De elasticiteitsgrens De elasticiteitsgrens, aangeduid als $\sigma_{Re}$ is de hoogste spanning waarbij een materiaal nog elastisch terugveert. Dit is een fundamentele materiaaleigenschap die de overgang markeert tussen elastisch en plastisch gedrag [45](#page=45). > **Tip:** De elasticiteitsgrens is cruciaal voor het ontwerpen van componenten en constructies, aangezien het overschrijden ervan duidt op overbelasting en potentiële permanente schade. Testbelastingen worden vaak binnen het elastische gebied gehouden, met een ingebouwde veiligheidsfactor [49](#page=49). ### 3.2 Elastische versus plastische vervorming Vervorming kan worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: elastische en plastische vervorming. #### 3.2.1 Elastische vervorming Elastische vervorming is tijdelijk; wanneer de aangelegde spanning wordt verwijderd, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Het gedrag in dit gebied is typisch lineair, zoals geïllustreerd in een spanning-rekcurve [46](#page=46) [47](#page=47). #### 3.2.2 Plastische vervorming Plastische vervorming is permanent. Als de aangelegde spanning de elasticiteitsgrens overschrijdt, treedt blijvende vervorming op [47](#page=47). * **Brosse materialen:** Materialien zoals keramiek en thermoharders breken zodra de elasticiteitsgrens wordt overschreden, zonder significante plastische vervorming [47](#page=47). * **Ductiele materialen:** Materialen zoals metalen en thermoplasten kunnen grote plastische vervormingen ondergaan voordat ze breken. Een materiaal dat grote plastische vervormingen kan ondergaan, wordt als ductiel beschouwd. Een materiaal dat weinig tot geen plastische vervorming ondergaat, is bros [47](#page=47) [48](#page=48). ### 3.3 Ontwerpen in het elastische gebied Bij het ontwerpen van componenten wordt vaak gestreefd naar het opereren binnen het elastische gebied om permanente vervorming te voorkomen. Dit betekent dat de optredende spanningen en rekken onder de toegelaten spanning ($\sigma_{Re}$) en toegelaten rek ($\epsilon_{Re} = \sigma_{Re}/E$) moeten blijven. De uiteindelijke afmetingen en de materiaaleigenschappen (zoals stijfheid $E$ en Poisson's ratio $\nu$) bepalen de optredende spanningen en rekken onder invloed van de krachtwerking en vorm. De relatie tussen spanning ($\sigma$), rek ($\epsilon$) en materiaalstijfheid ($E$) wordt beschreven door de wet van Hooke: $\sigma = E \epsilon$ . De relatie voor de dwarsrek wordt gegeven door $\nu = -\epsilon_x / \epsilon_z$ ] [50](#page=50). > **Tip:** Falen wordt gedefinieerd als niet-elastisch gedrag, wat aangeeft dat de elasticiteitsgrens is overschreden [50](#page=50). ### 3.4 Resiliëntie en elastische energieopslag Wanneer een materiaal elastisch wordt vervormd, wordt er arbeid verricht, en deze arbeid wordt opgeslagen als elastische potentiële energie in het materiaal. De resiliëntie is een maat voor de hoeveelheid energie die een materiaal kan opslaan en teruggeven tijdens het elastische vervormingsproces [51](#page=51). #### 3.4.1 Maximale elastische energie De maximale elastische energie die in een materiaal kan worden opgeslagen, is begrensd door de elasticiteitsgrens. Voor lineair elastisch gedrag kan de maximale elastische energie per volume-eenheid ($W_{ee,max}$) worden berekend door de spanning te integreren over de elastische rek [52](#page=52): $$ W_{ee,max} = \int_{0}^{\epsilon_{ee}} \sigma \, d\epsilon $$ ] [52](#page=52). Voor lineair elastisch gedrag, waar $\sigma = E\epsilon$, wordt dit: $$ W_{ee,max} = \int_{0}^{\epsilon_{ee}} E\epsilon \, d\epsilon = \frac{1}{2} E \epsilon_{ee}^2 $$ ] [52](#page=52). Door de relatie $\epsilon_{ee} = \sigma_{Re} / E$ te substitueren, kan de maximale elastische energie ook worden uitgedrukt in termen van de elasticiteitsgrens: $$ W_{ee,max} = \frac{\sigma_{Re}^2}{2E} $$ ] [52](#page=52). > **Tip:** Dit toont aan dat materialen met een hogere elasticiteitsgrens en een lagere stijfheid meer elastische energie per volume-eenheid kunnen opslaan [52](#page=52). --- # Schuifspanning en alternatieve materiaaltesten Dit gedeelte introduceert schuifspanningen, de schuifmodulus en beschrijft verschillende testmethoden zoals de drukproef en buigproef. ### 4.1 Schuifspanning en afschuiving #### 4.1.1 Definitie van schuifspanning Wanneer een kracht $F$ op een oppervlak $S_1$ werkt die niet loodrecht op dit oppervlak staat, kan deze kracht worden ontbonden in een normaalkracht $F_n$ en een schuifkracht $F_s$. De normaalkracht veroorzaakt normaalspanning, terwijl de schuifkracht schuifspanning veroorzaakt. Schuifspanning ($\tau$) wordt gedefinieerd als de schuifkracht per oppervlakte-eenheid. De relatie wordt wiskundig uitgedrukt als [56](#page=56) [58](#page=58): $$ \tau = \frac{F_s}{S_1} $$ [56](#page=56). Een veelvoorkomende vorm van schuifspanning treedt op bij de belasting van een bout of as. Als een kracht $P$ axiaal wordt aangebracht op een ronde staaf met een diameter $d$ en de doorsnede $A$, wordt de schuifspanning gegeven door: $$ \tau = \frac{P}{2 \pi R t} $$ [58](#page=58). waarbij $R$ de straal is en $t$ de dikte van het materiaal. #### 4.1.2 Afschuiving Afschuiving beschrijft de hoekverandering binnen een materiaal als gevolg van schuifspanningen. Deze hoekverandering wordt de afschuivingsvervorming ($\gamma$) genoemd. De verandering in lengte $\Delta x$ over een initiële hoogte $h$ kan benaderd worden als de tangent van de hoekverandering, wat gelijk is aan de schuivingsvervorming [59](#page=59): $$ \gamma_{xy} \approx \frac{\Delta x}{h} = \delta v_t $$ [59](#page=59). #### 4.1.3 Rekken versus afschuivingen Rekken beschrijven veranderingen in afmetingen, terwijl afschuivingen veranderingen in hoeken beschrijven. Een belangrijk kenmerk van afschuivingen is dat ze geen volumeverandering veroorzaken [60](#page=60). > **Tip:** Bij het analyseren van materiaalgedrag is het cruciaal om het onderscheid te maken tussen rekinspanningen (normaalspanning) en schuifspanningen, en hoe deze respectievelijk leiden tot rekken en afschuivingen. ##### 4.1.3.1 Rekenvoorbeeld van rekken en afschuivingen Gegeven een vierkant met initiële afmetingen van 10x10, dat vervormt tot een rechthoek van 8,25x35, met een dwarsafmeting van 8, en een schuifvervorming van 1 over een hoogte van 8,25. * **Technische rekken:** * $\varepsilon_{x,tt} = \frac{53 - 35}{35} = 51.4\%$ [61](#page=61). * $\varepsilon_{y,tt} = \frac{8 - 10}{10} = -20\%$ [61](#page=61). * $\varepsilon_{z,tt} = \frac{8.25 - 10}{10} = -17.5\%$ [61](#page=61). * **Ware rekken:** * $\varepsilon_{x,w} = \ln\left(\frac{53}{35}\right) = 41.5\%$ [61](#page=61). * $\varepsilon_{y,w} = \ln\left(\frac{8}{10}\right) = -22.3\%$ [61](#page=61). * $\varepsilon_{z,w} = \ln\left(\frac{8.25}{10}\right) = -19.2\%$ [61](#page=61). * **Schuifvervorming:** * $\gamma_{xy} = \arctan\left(\frac{1}{8.25}\right) \approx \frac{1}{8.25} = 12.1\%$ [61](#page=61). #### 4.1.4 Schuifmodulus (G-modulus) De schuifmodulus, ook wel de G-modulus genoemd, is een materiaaleigenschap die de stijfheid van een materiaal onder schuifbelasting beschrijft. Voor lineair elastisch gedrag geldt de Wet van Hooke voor schuifspanningen. De schuifmodulus $G$ wordt gedefinieerd als de limiet van de verhouding tussen de verandering in schuifspanning $\Delta \tau$ en de verandering in schuivingsvervorming $\Delta \gamma$, wanneer de vervorming naar nul gaat, bij een oorspronkelijke schuivingsvervorming van nul [62](#page=62). $$ G = \lim_{\Delta\gamma \to 0, \gamma=0} \frac{\Delta \tau}{\Delta \gamma} = \left. \frac{\partial \tau}{\partial \gamma} \right|_{\gamma=0} $$ [62](#page=62). De relatie tussen schuifspanning $\tau$ en schuivingsvervorming $\gamma$ in het lineair elastische gebied is: $$ \tau = G \gamma $$ [62](#page=62). De eenheid van de schuifmodulus is doorgaans GPa of kN/mm² [62](#page=62). ##### 4.1.4.1 Schuifmodulus en isotrope materialen Voor isotrope materialen, die in alle richtingen dezelfde materiaaleigenschappen hebben, kan het elastische gebied volledig worden beschreven door de Young's modulus ($E$), de Poisson-ratio ($\nu$) en de schuifmodulus ($G$). De relatie tussen deze constanten is [63](#page=63): $$ G = \frac{E}{2(1+\nu)} $$ [63](#page=63). Anisotrope materialen daarentegen kunnen tot wel 21 elastische constanten vereisen om hun gedrag volledig te beschrijven [63](#page=63). ### 4.2 Alternatieve materiaaltesten Naast de trekproef zijn er andere testmethoden die nuttig zijn voor het karakteriseren van materialen, vooral voor materialen met specifieke eigenschappen zoals brosheid [64](#page=64). #### 4.2.1 Nadelen van de trekproef De trekproef, hoewel veelgebruikt, heeft enkele nadelen [65](#page=65): * **Inklemming:** De klemmen kunnen hoge lokale spanningen veroorzaken, wat kan leiden tot breuk op ongewenste plekken [65](#page=65). * **Moeilijke testmonsters:** Soms zijn dure of specifiek gevormde testmonsters nodig met een grotere doorsnede aan de uiteinden [65](#page=65). * **Uitlijning:** Slechte uitlijning van het testmonster kan leiden tot buiging en vroegtijdig falen [65](#page=65). #### 4.2.2 De drukproef De drukproef is een alternatieve testmethode die vooral geschikt is voor brosse materialen. De voordelen zijn [66](#page=66): * **Geen inklemming:** Dit elimineert de problemen die gepaard gaan met het inklemmen van testmonsters [66](#page=66). * **Eenvoudig proefstuk:** De testmonsters zijn vaak eenvoudig te produceren [66](#page=66). Nadelen van de drukproef kunnen zijn: * **Moeilijk detecteren van plastisch gedrag:** Het plastische gedrag is vaak moeilijker te detecteren bij druk [66](#page=66). * **Risico op uitknikken of tonvorming:** Het testmonster kan uitknikken (a) of tonvorming vertonen (b) onder druk [66](#page=66). ##### 4.2.2.1 Belang van de drukproef Voor veel brosse materialen is de druksterkte aanzienlijk hoger dan de treksterkte. Dit wordt geïllustreerd in de volgende tabel [68](#page=68): | Materiaal | Treksterkte (MPa) | Druksterkte (MPa) | | :----------------- | :---------------- | :---------------- | | Graniet | 8-23 | 110-255 | | Beton | 1.1-1.3 | 13-30 | | Baksteen | 7-14 | 69-140 | | Vensterglas | 31-34 | 310-342 | | Aluminiumoxide | 190-210 | 1900-2100 | | Siliciumcarbide | 305-336 | 3050-3360 | | Epoxyhars | 45-90 | 103-172 | #### 4.2.3 De buigproef De buigproef is een eenvoudige test die geschikt is voor het bepalen van de mechanische eigenschappen van brosse materialen [69](#page=69). ##### 4.2.3.1 Buigproef en doorbuiging Het verband tussen de toegepaste kracht en de doorbuiging ($\delta$) is cruciaal in de buigproef. Het oppervlaktetraagheidsmoment ($I$) van de doorsnede, dat de vormstijfheid bepaalt, speelt hierbij een belangrijke rol. Voor een rechthoekige doorsnede met breedte $w$ en hoogte $t$ is het oppervlaktetraagheidsmoment [70](#page=70): $$ I = \frac{wt^3}{12} $$ [70](#page=70). De relatie tussen kracht $F$, doorbuiging $\delta$, lengte $L$, materiaaleigenschap $E$ en de vorm van de doorsnede wordt gegeven door: $$ F = \frac{48EI}{L^3} \delta $$ of $$ F = \frac{4Ew t^3}{L^3} \delta $$ [70](#page=70). ##### 4.2.3.2 Belang van de buigproef De buigproef is vooral nuttig voor het meten van de treksterkte van brosse materialen. De spanningsverdeling over de doorsnede tijdens een buigproef is lineair: de spanning is nul in het midden van de doorsnede, er is drukspanning aan de bovenzijde en trekspanning aan de onderzijde (of vice versa afhankelijk van de belasting). De maximale buigspanning ($\sigma_{max}$) kan worden berekend met [71](#page=71): $$ \sigma_{max} = \frac{FL}{4I} \frac{t}{2} = \frac{3FL}{2wt^2} $$ [71](#page=71). > **Reflectievraag:** Spinnenzijde is vijf keer sterker dan staal bij gelijke massa. Hoe kan dit [72](#page=72)? --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Stijfheid | De weerstand van een voorwerp tegen elastische vervorming onder mechanische belasting. Een hoge stijfheid betekent dat een materiaal of constructie weinig vervormt onder invloed van krachten. | | Elastisch gedrag | Het vermogen van een materiaal om na het verwijderen van een belasting terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm. De vervorming is tijdelijk en omkeerbaar. | | Vervorming | Een verandering in de vorm of afmetingen van een voorwerp als gevolg van een aangebrachte kracht of spanning. | | Kracht | Een interactie die de beweging van een object kan veranderen; het kan een object in beweging zetten, vertragen, stoppen, van richting veranderen of zijn vorm veranderen. | | Spanning | De interne weerstand per eenheid van oppervlakte die een materiaal biedt tegen externe krachten die erop worden uitgeoefend. Het wordt meestal uitgedrukt in Pascal (Pa) of Newton per vierkante millimeter (N/mm² of MPa). | | Rek | Een maat voor de relatieve vervorming van een materiaal, gedefinieerd als de verandering in lengte gedeeld door de oorspronkelijke lengte. Het heeft geen eenheid. | | Elasticiteitsmodulus (E-modulus) | Een materiaaleigenschap die de stijfheid van het materiaal beschrijft in het lineair elastische gebied. Het is de verhouding tussen spanning en rek onder uniaxiale belasting ($\sigma / \epsilon$). | | Schuifmodulus (G-modulus) | Een materiaaleigenschap die de weerstand van een materiaal tegen afschuiving beschrijft. Het is de verhouding tussen schuifspanning en schuifrek ($\tau / \gamma$) in het lineair elastische gebied. | | Poissoncoëfficiënt ($\nu$) | Een materiaaleigenschap die de verhouding beschrijft tussen de dwarsrek en de longitudinale rek onder uniaxiale belasting. Het geeft aan hoe een materiaal in de dwarsrichting krimpt of uitzet wanneer het in de lengterichting wordt uitgerekt of samengedrukt. | | Uni-axiale belasting | Een belasting die in slechts één richting langs een as wordt aangebracht. | | Technische spanning | De aangebrachte kracht gedeeld door de oorspronkelijke doorsnede-oppervlakte van het materiaal ($\sigma_t = F / A_0$). | | Technische rek | De totale verandering in lengte gedeeld door de oorspronkelijke lengte van het materiaal ($\epsilon_t = \Delta L / L_0$). | | Ware spanning | De aangebrachte kracht gedeeld door de actuele doorsnede-oppervlakte van het materiaal tijdens de vervorming ($\sigma_w = F / A$). | | Ware rek | De som van de logaritmen van de verhouding van de actuele lengte tot de oorspronkelijke lengte ($\epsilon_w = \ln(L_1 / L_0)$). | | Elasticiteitsgrens ($R_e$) | De maximale spanning die een materiaal kan weerstaan zonder blijvende (plastische) vervorming te ondergaan. Boven deze grens gaat het materiaal plastisch vervormen of breken. | | Bros materiaal | Een materiaal dat weinig tot geen plastische vervorming ondergaat voor het bezwijken. Het breekt abrupt. | | Ductiel materiaal | Een materiaal dat significante plastische vervorming kan ondergaan voordat het bezwijkt. | | Schuifspanning ($\tau$) | De tangentiale component van de spanning die parallel aan het oppervlak van het materiaal werkt, veroorzaakt door een schuifkracht. | | Afschuiving | Een vorm van vervorming waarbij een materiaal wordt vervormd door krachten die parallel aan het oppervlak werken, resulterend in een hoekverandering. | | Drukproef | Een testmethode waarbij een materiaal wordt onderworpen aan compressieve krachten om zijn gedrag en sterkte onder druk te bepalen. | | Buigproef | Een testmethode om de sterkte en stijfheid van een materiaal te bepalen door het te buigen met behulp van een belasting. | | Oppervlaktetraagheidsmoment (I) | Een geometrische eigenschap van een doorsnede die de weerstand tegen buigen bepaalt. Hoe groter de I, hoe stijver de doorsnede is tegen buiging. |

# Thermische uitzetting Thermische uitzetting beschrijft hoe de afmetingen van een materiaal veranderen als gevolg van temperatuurwisselingen, wat direct verband houdt met de asymmetrie van de bindingsenergiecurve [7](#page=7) [9](#page=9). ### 1.1 De bindingsenergiecurve en thermische uitzetting De bindingsenergiecurve toont de potentiële energie tussen atomen als functie van de interatomaire afstand. Deze curve is asymmetrisch, wat betekent dat de aantrekkingskrachten sneller afnemen met toenemende afstand dan de afstotingskrachten. Bij verhoging van de temperatuur neemt de kinetische energie van de atomen toe, waardoor ze meer trillen rond hun evenwichtsstand. Door de asymmetrie van de curve zal de gemiddelde evenwichtsafstand tussen de atomen toenemen naarmate de temperatuur stijgt. Dit leidt op macroscopische schaal tot een vergroting van de afmetingen van het materiaal, oftewel thermische uitzetting [7](#page=7) [9](#page=9). ### 1.2 Gevolgen op macroschaal De verandering in de afmetingen van een materiaal als gevolg van temperatuurverandering is evenredig met de oorspronkelijke afmeting en de temperatuursverandering. Dit verband wordt wiskundig beschreven door de volgende relatie [9](#page=9): $$ \frac{\Delta L}{L_0} = \epsilon \sim \Delta T $$ [9](#page=9). waarbij: * $L_0$ de oorspronkelijke lengte is [9](#page=9). * $\Delta L$ de verandering in lengte is [9](#page=9). * $\epsilon$ de relatieve rek is [9](#page=9). * $\Delta T$ de temperatuursverandering is [9](#page=9). De relatieve rek ($\epsilon$) kan ook direct worden uitgedrukt als: $$ \epsilon = \alpha \Delta T $$ [9](#page=9). Hierin is $\alpha$ de thermische uitzettingscoëfficiënt, een materiaaleigenschap die aangeeft hoe sterk een materiaal uitzet per graad temperatuursverandering. De eenheid van $\alpha$ is Kelvin tot de macht -1 ($K^{-1}$) [9](#page=9). ### 1.3 Thermische uitzettingscoëfficiënten en materiaaleigenschappen De magnitude van de thermische uitzettingscoëfficiënt ($\alpha$) is sterk afhankelijk van het bindingstype en de sterkte van de binding in het materiaal. Materialen met sterkere bindingen hebben over het algemeen lagere thermische uitzettingscoëfficiënten. Er is een verband tussen de E-modulus ($E$) en de thermische uitzettingscoëfficiënt ($\alpha$), hoewel dit verband niet universeel is en afhankelijk is van het specifieke materiaal. Een empirische relatie voor veel metalen is [10](#page=10): $$ \alpha = 1.6 \times 10^{-3} / E $$ [10](#page=10). waarbij $E$ in GPa wordt uitgedrukt en $\alpha$ in $K^{-1}$ [10](#page=10). #### 1.3.1 Voorbeelden van thermische uitzettingscoëfficiënten De tabel hieronder geeft een overzicht van de thermische uitzettingscoëfficiënten voor verschillende materiaalfamilies: | Materiaal familie | Materiaal | E-modulus (GPa) | Thermische uitzettingscoëfficiënt (10⁻⁶ K⁻¹) | | :------------------ | :-------------- | :-------------- | :--------------------------------------- | | Metalen | Aluminium | 70 | 23,8 | | Metalen | Koper | 125 | 17,6 | | Metalen | Staal | 210 | 12,0 | | Metalen | Roestvast staal | 195 | 16,0 | | Metalen | “Invar” (Fe-Ni) | 140 | 1,6 | | Keramieken | Al₂O₃ | 375 | 7,9 | | Keramieken | Beton | 20 | 10,0 | | Keramieken | Vensterglas | 69 | 9,0 | | Keramieken | Boorglas (Pyrex)| 68 | 4,3 | | Polymeren (TP) | HDPE | 1,0 | 106-198 | | Polymeren (TP) | PA 6,6 (Nylon) | 1,5 | 110-150 | | Polymeren (TH) | Epoxy | 2,4 | 81-117 | | Polymeren (El) | Polyisopreen rubber | 0,002 | 210-230 | > **Tip:** Polymeren hebben over het algemeen aanzienlijk hogere thermische uitzettingscoëfficiënten dan metalen en keramieken, vanwege de zwakkere intermoleculaire bindingen. "Invar" is een uitzonderlijk materiaal met een zeer lage uitzettingscoëfficiënt, wat nuttig is in toepassingen waar temperatuurschommelingen minimale dimensionale veranderingen mogen veroorzaken [11](#page=11). ### 1.4 Verhinderde thermische uitzetting en spanning Wanneer de thermische uitzetting van een materiaal wordt verhinderd, ontstaat er interne spanning in het materiaal. Deze spanning is noodzakelijk om de thermische verlenging te compenseren. De grootte van deze spanning kan worden berekend met behulp van de E-modulus en de thermische rek [12](#page=12). De thermische rek die zou optreden bij vrije uitzetting is $\epsilon_{thermisch} = \alpha \Delta T$ [12](#page=12). Als deze uitzetting volledig wordt verhinderd, moet de resulterende spanning ($\sigma$) deze rek compenseren via de relatie van Hooke: $$ \sigma = E \epsilon $$ [12](#page=12). waarbij $E$ de E-modulus van het materiaal is. In het geval van verhinderde uitzetting geldt [12](#page=12): $$ \sigma = E \alpha \Delta T $$ [12](#page=12). Deze formule is cruciaal voor het berekenen van de spanning die ontstaat wanneer een materiaal bij temperatuurverandering niet vrij kan uitzetten of inkrimpen [12](#page=12). > **Tip:** Een positieve $\Delta T$ (temperatuurstijging) die wordt verhinderd, leidt tot een compressieve spanning (negatieve $\sigma$). Een negatieve $\Delta T$ (temperatuurdaling) die wordt verhinderd, leidt tot een trekspanning (positieve $\sigma$) [12](#page=12). #### 1.4.1 Oplossingen en toepassingen Om de negatieve gevolgen van verhinderde thermische uitzetting te vermijden, worden verschillende ingenieuze oplossingen en ontwerpprincipes toegepast: * **Voegen en dilatatievoegen:** In constructies zoals bruggen en spoorlijnen worden dilatatievoegen gebruikt om ruimte te creëren voor uitzetting en krimp, waardoor spanningen worden vermeden [14](#page=14). * **Lagers:** In roterende machineonderdelen, zoals assen in een behuizing, kunnen speciale lagers worden gebruikt die de as positioneren en rotatie toelaten, terwijl ze ook de thermische uitzetting van de as mogelijk maken zonder significante spanningen op te bouwen [15](#page=15). * **Bimetalen:** Een bimetalen strip bestaat uit twee metalen met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten die aan elkaar zijn gebonden. Wanneer de temperatuur verandert, zal het metaal met de hogere uitzettingscoëfficiënt meer uitzetten of krimpen dan het andere metaal, waardoor de strip kromtrekt. Dit principe wordt gebruikt in thermostaten en schakelaars [16](#page=16). * **Perspassing:** Bij perspassing worden onderdelen zo ontworpen dat ze bij een bepaalde temperatuur net niet passen. Door het ene onderdeel te koelen en/of het andere te verwarmen, kan het ene deel over het andere geschoven worden. Bij het terugkeren naar kamertemperatuur zorgt de thermische uitzetting of krimp voor een zeer sterke, blijvende verbinding [17](#page=17). #### 1.4.2 Oefening: Bepalen van spanning bij verhinderde uitzetting **Vraag:** Als een messing staaf van 35,0 cm lang verwarmd wordt van 15,0 °C tot 85,0 °C terwijl de uiteinden vast zitten (zonder spanning bij 15 °C), bepaal dan het type en de grootte van spanning dat ontwikkelt. De E-modulus van messing is 97,0 GPa. De thermische uitzettingscoëfficiënt van messing is 20,0 × 10⁻⁶ / °C. **Oplossing:** 1. **Bereken de temperatuursverandering ($\Delta T$):** $\Delta T = T_{eind} - T_{begin} = 85,0 \, \text{°C} - 15,0 \, \text{°C} = 70,0 \, \text{°C}$ [18](#page=18). 2. **Converteer de E-modulus naar SI-eenheden (Pascal):** $E = 97,0 \, \text{GPa} = 97,0 \times 10^9 \, \text{Pa}$ [18](#page=18). 3. **Bereken de thermische uitzettingscoëfficiënt in SI-eenheden (K⁻¹):** Aangezien een verandering van 1 °C gelijk is aan een verandering van 1 K, is $\alpha = 20,0 \times 10^{-6} \, \text{K}^{-1}$ [18](#page=18). 4. **Bereken de ontwikkelende spanning ($\sigma$) met de formule voor verhinderde uitzetting:** $$ \sigma = E \alpha \Delta T $$ [12](#page=12) [18](#page=18). $$ \sigma = (97,0 \times 10^9 \, \text{Pa}) \times (20,0 \times 10^{-6} \, \text{K}^{-1}) \times (70,0 \, \text{K}) $$ $$ \sigma = 135,8 \times 10^6 \, \text{Pa} $$ $$ \sigma = 135,8 \, \text{MPa} $$ Aangezien de temperatuur stijgt en de uitzetting wordt verhinderd, zal de spanning **trekspanning** zijn. **Antwoord:** Het type spanning dat zich ontwikkelt is trekspanning, en de grootte ervan is 135,8 MPa [18](#page=18). --- # Smelttemperatuur De smelttemperatuur van een materiaal is direct gerelateerd aan de energietoestand van de atomen en de sterkte van de bindingen die hen in een vaste structuur houden [20](#page=20). ### 2.1 De relatie tussen energietoestand en smelttemperatuur De smelttemperatuur markeert het punt waarop de thermische energie van de atomen in een materiaal voldoende hoog is om de intermoleculaire bindingen te overwinnen, waardoor het materiaal overgaat van een vaste naar een vloeibare fase. Bij een temperatuur van absolute nul ($T=0$) bevinden atomen zich in hun laagste energietoestand en zijn ze stevig gebonden in hun roosterstructuur. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de kinetische energie van de atomen toe, wat resulteert in grotere trillingen rond hun evenwichtsposities. Op een specifieke temperatuur, de smelttemperatuur ($T_m$), is de amplitude van deze trillingen zo groot dat atomen hun oorspronkelijke positie kunnen verlaten en zich relatief vrij ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Dit proces wordt geïllustreerd door de bindingsenergiecurve, waarbij de asymmetrie van de curve de toename in volume bij hogere temperaturen verklaart, wat leidt tot thermische uitzetting [20](#page=20) [4](#page=4). > **Tip:** Begrijpen hoe thermische energie de bindingskrachten beïnvloedt, is cruciaal voor het voorspellen van het gedrag van materialen bij verhoogde temperaturen. ### 2.2 Smelttemperaturen van verschillende materiaalfamilies Verschillende materiaalfamilies vertonen aanzienlijke verschillen in smelttemperaturen, wat direct verband houdt met de aard en sterkte van hun interatomaire bindingen [21](#page=21) [4](#page=4). * **Metalen:** Metalen hebben doorgaans hoge smelttemperaturen vanwege de sterke metallische bindingen, die ontstaan door de delokalisatie van valentie-elektronen. Voorbeelden zijn koper met een smelttemperatuur van 1083 graden Celsius en staal met 1510 graden Celsius [21](#page=21) [4](#page=4). * **Keramieken:** Keramische materialen, die gekenmerkt worden door sterke ionaire en/of covalente bindingen, vertonen over het algemeen de hoogste smelttemperaturen. Aluminiumoxide (Al$_2$O$_3$) smelt bij 2050 graden Celsius, siliciumcarbide (SiC) bij 2400 graden Celsius, en diamant, met een extreem sterk covalente binding, smelt pas bij 3800 graden Celsius [21](#page=21) [4](#page=4). * **Polymeren:** Polymeren vertonen een breed scala aan smelttemperaturen en soms ook smeltgedrag. Thermoplastische polymeren zoals HDPE hebben relatief lage smelttemperaturen (bv. 134 graden Celsius voor HDPE). Sommige polymeren, zoals epoxyharsen en rubber (El), ondergaan geen smelten, maar degraderen of verbranden bij hoge temperaturen in plaats van vloeibaar te worden [21](#page=21) [4](#page=4). ### 2.3 Relatie met thermische uitzetting Er bestaat een directe relatie tussen de smelttemperatuur van metalen en hun thermische uitzettingscoëfficiënt ($\alpha$). Een empirische relatie voor metalen suggereert dat de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt $\alpha$ ongeveer gelijk is aan $\frac{0.02}{T_m}$, waarbij $T_m$ de smelttemperatuur in Kelvin is. Materialen met hogere smelttemperaturen neigen dus naar lagere thermische uitzettingscoëfficiënten, wat betekent dat ze minder uitzetten bij een bepaalde temperatuurstijging vergeleken met materialen met lagere smelttemperaturen [22](#page=22) [4](#page=4). ### 2.4 Toepassingen en implicaties Het begrip van smelttemperatuur en thermische eigenschappen is cruciaal in diverse industriële toepassingen. In hoogovens, bijvoorbeeld, worden refractaire materialen (hittebestendige materialen) gebruikt die extreem hoge smelttemperaturen hebben om de extreme hitte te weerstaan. Materialen zoals aluminiumoxide (Al$_2$O$_3$) en siliciumcarbide (SiC) zijn hierdoor zeer geschikt voor de bekleding van ovens. De keuze van materialen met de juiste smelttemperatuur is essentieel voor de integriteit en functionaliteit van installaties die opereren bij hoge temperaturen [23](#page=23) [4](#page=4). > **Example:** Bij het ontwerpen van een oven voor het smelten van staal (smeltpunt ca. 1510 graden Celsius) moeten de binnenwanden bekleed worden met materialen die een significant hogere smelttemperatuur hebben, zoals keramieken, om de constructie te beschermen tegen smelten en degradatie. --- # Toepassingen en oefeningen Dit onderwerp verkent concrete toepassingen en oefeningen die de concepten van thermische uitzetting en smelttemperatuur illustreren, zoals lagers, bimetalen, perspassingen en hoogovens [4](#page=4). ### 3.1 Illustratieve toepassingen van thermische uitzetting Thermische uitzetting, het fenomeen waarbij materialen van volume veranderen als reactie op temperatuurveranderingen, manifesteert zich in diverse praktische toepassingen en technische uitdagingen. Het begrijpen van deze effecten is cruciaal voor het ontwerpen van betrouwbare constructies [4](#page=4). #### 3.1.1 Lagers In lagers, die de positie van een roterende as bepalen en rotatie toelaten, is het essentieel dat de uitzetting van de as bij temperatuurveranderingen mogelijk is. Dit voorkomt dat de as vastloopt of dat er buitensporige spanningen ontstaan tussen de as en de vaste behuizing [15](#page=15). > **Tip:** Bij het ontwerpen van systemen met roterende onderdelen moet rekening gehouden worden met de thermische uitzetting van zowel de as als de behuizing om een soepele werking te garanderen. #### 3.1.2 Bimetalen Bimetalen zijn samengesteld uit twee verschillende metalen met elk een eigen thermische uitzettingscoëfficiënt, die aan elkaar zijn verbonden. Wanneer de temperatuur verandert, zetten de twee metalen verschillend uit, wat resulteert in een buiging van het bimetalen element. Dit principe wordt toegepast in thermostaten en schakelaars om temperatuurveranderingen te detecteren en te reageren [16](#page=16). #### 3.1.3 Perspassing Een perspassing wordt gecreëerd wanneer een onderdeel met een iets grotere buitendiameter wordt gemonteerd op een onderdeel met een iets kleinere binnendiameter, vaak door middel van temperatuurverschillen. Door het buitenste onderdeel te verwarmen of het binnenste onderdeel te koelen, kan de diameter tijdelijk worden aangepast om montage te vergemakkelijken. Na afkoeling ontstaat een zeer sterke, naadloze verbinding door de samendrukking [17](#page=17). #### 3.1.4 Refractaire materialen in hoogovens In hoogovens spelen refractaire materialen een cruciale rol vanwege de extreem hoge temperaturen die er heersen. Materialen zoals aluminiumoxide ($Al_2O_3$), siliciumcarbide ($SiC$) en koolstof ($C$) worden gebruikt vanwege hun hoge smelttemperaturen en weerstand tegen thermische schokken. De keuze van deze materialen is gebaseerd op hun chemische inertheid en mechanische sterkte bij hoge temperaturen, naast hun thermische uitzettingseigenschappen [23](#page=23). > **Tip:** De asymmetrie van de bindingsenergiecurve verklaart waarom materialen bij hogere temperaturen uitzetten, omdat de gemiddelde afstand tussen atomen toeneemt met toenemende trillingen [4](#page=4). ### 3.2 Oefeningen en berekeningen #### 3.2.1 Oefening: Spanning in een vastgezette messing staaf **Probleemstelling:** Als een messing staaf van 35,0 cm lang verwarmd wordt van 15,0 °C tot 85,0 °C terwijl de uiteinden vast zitten (zonder spanning bij 15 °C), bepaal dan het type en de grootte van de spanning die ontwikkelt. De elasticiteitsmodulus ($E$) van messing is 97,0 GPa en de thermische uitzettingscoëfficiënt ($\alpha$) is 20,0 × 10⁻⁶ / °C [18](#page=18). **Oplossing:** Wanneer de uiteinden van de staaf vastzitten, wordt thermische uitzetting verhinderd. Dit resulteert in een compressieve spanning ($ \sigma $) in de staaf. De grootte van deze spanning kan worden berekend met de volgende formule: $$ \sigma = -E \alpha \Delta T $$ Waarbij: * $ E $ de elasticiteitsmodulus is. * $ \alpha $ de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt is. * $ \Delta T $ de temperatuurverandering is ($ T_{eind} - T_{begin} $). Eerst berekenen we de temperatuurverandering: $ \Delta T = 85,0 \, \text{°C} - 15,0 \, \text{°C} = 70,0 \, \text{°C} $ Nu kunnen we de spanning berekenen: $ \sigma = -(97,0 \times 10^9 \, \text{Pa}) \times (20,0 \times 10^{-6} \, \text{/°C}) \times (70,0 \, \text{°C}) $ $ \sigma = -135,8 \times 10^6 \, \text{Pa} $ $ \sigma = -135,8 \, \text{MPa} $ Het negatieve teken geeft aan dat het een **compressieve spanning** is. **Antwoord:** Het type spanning is compressief, en de grootte is 135,8 MPa. > **Tip:** Het verhinderen van thermische uitzetting creëert interne spanningen. Het berekenen van deze spanningen is cruciaal om materiaalfalen te voorkomen [4](#page=4). ### 3.3 Reflectievraag: Materiaalkeuze voor satellieten **Vraag:** Stel je moet een satelliet ontwerpen die in de ruimte grote temperatuurverschillen moet doorstaan (van -150 °C tot +120 °C). Hoe zouden thermische uitzetting en smelttemperatuur je materiaalkeuze beïnvloeden? Welke eigenschappen zou je zoeken in een geschikt materiaal, en waarom [24](#page=24)? **Overwegingen voor materiaalkeuze:** * **Thermische uitzetting:** Satellieten worden blootgesteld aan extreme temperatuurvariaties tussen zonlicht en schaduw, en tussen de warme atmosfeer en de koude ruimte. Grote verschillen in thermische uitzetting tussen verschillende onderdelen van de satelliet kunnen leiden tot structurele spanningen, vervormingen en uiteindelijk falen. Daarom is het wenselijk om materialen te kiezen met een lage lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt ($\alpha$) of materialen die thermisch compatibel zijn met elkaar om differentiële uitzetting te minimaliseren. Composieten met specifieke vezeloriëntaties, zoals koolstofvezelversterkte polymeren, kunnen worden ontworpen om een zeer lage of zelfs negatieve thermische uitzetting te hebben in bepaalde richtingen [4](#page=4). * **Smelt- en ontledingstemperatuur:** Hoewel de ruimte een vacuüm is, kunnen onderdelen van de satelliet door interne processen of blootstelling aan zonlicht aanzienlijke temperaturen bereiken. Een hoge smelttemperatuur of ontledingstemperatuur is essentieel om te voorkomen dat het materiaal zijn structurele integriteit verliest. Materialen met sterke intermoleculaire bindingen, zoals keramische materialen of speciale legeringen, hebben vaak hogere smelttemperaturen [4](#page=4). * **Thermische geleidbaarheid:** Effectieve warmteafvoer is belangrijk om oververhitting te voorkomen. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid helpen de warmte gelijkmatig te verspreiden en te voorkomen dat lokale temperatuurpieken ontstaan [4](#page=4). * **Mechanische eigenschappen bij extreme temperaturen:** De sterkte en stijfheid van materialen kunnen significant veranderen bij extreme temperaturen. Het gekozen materiaal moet zijn mechanische eigenschappen behouden, zowel bij de lage temperaturen in de schaduw als bij de hogere temperaturen in direct zonlicht. **Gewenste materiaaleigenschappen:** * **Lage thermische uitzettingscoëfficiënt:** Om differentiële spanningen en vervormingen te minimaliseren [4](#page=4). * **Hoge smelttemperatuur/ontledingstemperatuur:** Om stabiliteit te garanderen onder extreme omstandigheden [4](#page=4). * **Goede thermische geleidbaarheid:** Voor efficiënte warmteafvoer [4](#page=4). * **Goede mechanische sterkte en stijfheid over een breed temperatuurbereik:** Om structurele integriteit te behouden [4](#page=4). * **Lage dichtheid:** Om het totale gewicht van de satelliet te minimaliseren, wat cruciaal is voor lanceerkosten. Materialen zoals speciale aluminiumlegeringen, titanium, composieten (bv. koolstofvezel) en keramiek worden vaak overwogen, elk met hun specifieke voordelen afhankelijk van de toepassing binnen de satelliet [4](#page=4). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Thermische uitzettingscoëfficiënt | Dit is een materiaaleigenschap die aangeeft hoe sterk een materiaal in omvang verandert bij een temperatuurverandering. Het wordt uitgedrukt in per graad Celsius (°C⁻¹) of per Kelvin (K⁻¹). | | Bindingsenergiecurve | Een grafische weergave die de potentiële energie van twee atomen of moleculen toont als functie van de afstand tussen hen. De vorm van deze curve, met name de asymmetrie, verklaart fenomenen zoals thermische uitzetting. | | Evenwichtsafstand | De afstand tussen atoomkernen waarbij de aantrekkende en afstotende krachten elkaar precies opheffen, wat resulteert in een minimale potentiële energie. Bij verhoogde temperatuur neemt deze gemiddelde afstand toe. | | Smelttemperatuur | De temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeibare fase. Deze temperatuur is direct gerelateerd aan de sterkte van de intermoleculaire of interatomaire bindingen in het materiaal. | | Spanning in materiaal | Een interne kracht per eenheid van oppervlakte binnen een materiaal, veroorzaakt door externe krachten of veranderingen in temperatuur die interne beweging beperken. Bij verhinderde thermische uitzetting ontstaat er druk- of trekspanning. | | Elastisch gedrag | Het vermogen van een materiaal om na het verwijderen van een aangelegde spanning of vervormende kracht terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm en afmetingen. | | E-modulus | Ook bekend als de elasticiteitsmodulus, deze materiaaleigenschap beschrijft de stijfheid van een materiaal. Het is de verhouding tussen de aangelegde spanning en de resulterende rek in het elastische gebied. De formule is $E = \sigma / \epsilon$. | | Poissoncoëfficiënt | Een materiaaleigenschap die de verhouding weergeeft tussen de transversale rek en de longitudinale rek wanneer een materiaal onder axiale spanning staat. Het beschrijft hoe een materiaal in de breedte krimpt als het in de lengte wordt uitgerekt. | | Polymeren (TP) | Dit zijn thermoplastische polymeren, een soort kunststof die bij verhitting zacht wordt en bij afkoeling weer hard. Ze kunnen herhaaldelijk worden gevormd. | | Polymeren (TH) | Dit zijn thermohardende polymeren, een soort kunststof die na initiële uitharding door warmte of een chemische reactie permanent stijf en onsmeltbaar wordt. | | Polymeren (El) | Dit zijn elastomeren, een type polymeer dat bij kamertemperatuur een hoge rek kan vertonen en na het verwijderen van de belasting snel terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. |

# Kristallijne en amorfe materialen: een overzicht Dit onderwerp introduceert het fundamentele onderscheid tussen kristallijne en amorfe materialen, inclusief hun structurele kenmerken en vormingsprocessen [3](#page=3). ### 1.1 Kristallijne materialen Kristallijne materialen worden gekenmerkt door een geordende, periodieke rangschikking van atomen, ionen of moleculen. Deze interne structuur kan worden verkregen door verschillende vormingsprocessen [16](#page=16) [18](#page=18). #### 1.1.1 Vorming van kristallen Kristallen kunnen gevormd worden door afkoeling en kristallisatie, of door verdamping en kristallisatie [18](#page=18). * **Afkoeling en kristallisatie:** Wanneer een vloeistof voldoende afkoelt, kunnen de atomen of moleculen zich in een regelmatig rooster rangschikken, waardoor een kristallijne structuur ontstaat [18](#page=18). * **Verdamping en kristallisatie:** Bij het verdampen van een oplosmiddel kunnen de opgeloste deeltjes neerslaan en een geordende kristallijne structuur vormen [18](#page=18). ### 1.2 Amorfe materialen Amorfe materialen, ook wel niet-kristallijne materialen genoemd, hebben een wanordelijke, willekeurige inwendige structuur, vergelijkbaar met die van een vloeistof. Ze ontstaan wanneer kristallisatie moeilijk verloopt of wanneer een materiaal zeer snel wordt afgekoeld [30](#page=30) [31](#page=31). #### 1.2.1 Verglazing (vitrificatie) Het proces waarbij een vloeistof overgaat in een amorfe vaste stof zonder te kristalliseren, wordt verglazing of vitrificatie genoemd. Dit treedt op bij het snel afkoelen van een vloeistof, waarbij de atomen of moleculen niet de tijd krijgen om zich in een geordend rooster te herschikken [31](#page=31). #### 1.2.2 Glasovergangstemperatuur (Tg) Amorfe materialen kennen een glasovergangstemperatuur, aangeduid met $T_g$. Dit is niet zozeer een precieze temperatuur, maar eerder een temperatuursgebied waarbinnen het materiaal verandert van een harde, glasachtige toestand naar een meer rubberachtige of viskeuze toestand. De exacte waarde van $T_g$ is afhankelijk van de afkoelsnelheid [31](#page=31). > **Tip:** Het fundamentele verschil tussen kristallijne en amorfe materialen ligt in de mate van ordening van hun atomaire of moleculaire structuur. Kristallijne materialen hebben een lange-afstandsbegrenzing, terwijl amorfe materialen enkel een korte-afstandsbegrenzing vertonen. --- # Relatie tussen bindingstype en lokale ordening Dit deel onderzoekt hoe verschillende chemische bindingstypes de lokale ordening van atomen en moleculen binnen materialen beïnvloeden [10](#page=10). ### 2.1 Metaalbinding en lokale ordening Metaalbinding wordt gekenmerkt door kationen in een wolk van elektronen. Materialen met metaalbinding streven naar de laagste energie door zo compact mogelijk te ordenen. Deze ordening is niet-stereospecifiek en de bouwstenen zijn atomen in hun eenvoudigste vorm, zonder significante ladingsverschillen. Dit resulteert in een structuur van dichtgestapelde bollen [11](#page=11). ### 2.2 Ionische binding en lokale ordening Ionische binding vindt plaats tussen verschillend geladen ionen. Net als bij metaalbinding, wordt ook hier de laagste energie bereikt door een zo compact mogelijke pakking. Deze ordening is eveneens niet-stereospecifiek. De bouwstenen zijn ionen, die beschouwd kunnen worden als eenvoudige bollen. Echter, bij ionische binding spelen ladingsverschillen en variërende afmetingen van de ionen een cruciale rol in de lokale ordening, wat leidt tot een specifiek coördinatiegetal [12](#page=12). ### 2.3 Covalente binding en lokale ordening Covalente bindingen zijn gebaseerd op moleculaire orbitalen en zijn daardoor sterk richtingsafhankelijk. Dit leidt tot specifieke bindingshoeken. De bouwstenen zijn atomen en moleculen, die soms aanzienlijk groot kunnen zijn. De aanwezigheid van verschillende afmetingen van de bouwstenen en de richtingsafhankelijkheid van de binding resulteren in een complexe lokale ordening [13](#page=13). ### 2.4 Secundaire bindingen en lokale ordening Secundaire bindingen zijn gebaseerd op beperkte elektrostatische aantrekking of beïnvloeding. Deze kunnen optreden tussen permanente dipolen, als een vorm van binding met gemengd covalent-ionisch karakter, of tussen tijdelijke dipolen die ontstaan door toevallige ladingsasymmetrie. Secundaire bindingen zijn stereospecifiek en hebben doorgaans een grotere evenwichtsafstand dan primaire bindingen. Ze hebben geen inherente richting in de zin van gerichte covalente bindingen [15](#page=15). --- # Factoren die kristallisatie beïnvloeden en materiaalspecifieke kristallisatie Dit onderwerp behandelt de factoren die de vorming van kristallen beïnvloeden en hoe deze factoren de kristallisatiekenmerken van verschillende materialen bepalen [22](#page=22). ### 3.1 Factoren die kristallisatie beïnvloeden De kristallisatie van een materiaal wordt beïnvloed door verschillende factoren met betrekking tot de aard van de bouwstenen, het bindingstype en de viscositeit van de smelt. Deze factoren bepalen hoe gemakkelijk een materiaal kan kristalliseren en de uiteindelijke kristallijne structuur [22](#page=22). #### 3.1.1 De aard van de bouwstenen De grootte en vorm van de bouwstenen (atomen, ionen of moleculen) spelen een cruciale rol. Kleinere, eenvoudig gevormde bouwstenen (zoals bollen) vergemakkelijken de geordende rangschikking die nodig is voor kristallisatie. Complexere en grotere bouwstenen kunnen de kristallisatie bemoeilijken. Wanneer een materiaal uit verschillende soorten bouwstenen bestaat, zoals verschillende ionen in zouten, of moleculen in polymeren, kan dit ook de kristallisatie beïnvloeden [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24) [25](#page=25) [26](#page=26). #### 3.1.2 Het bindingstype Het type binding tussen de bouwstenen is essentieel voor kristallisatie [22](#page=22). * **Niet-stereospecifieke bindingen:** Deze bindingen laten meer bewegingsvrijheid toe, wat de kristallisatie vergemakkelijkt. Dit geldt met name voor metalen en zouten waar atomen of ionen relatief vrij kunnen bewegen en rangschikken [23](#page=23) [24](#page=24). * **Stereospecifieke bindingen:** Sterk gerichte bindingen, zoals covalente bindingen in keramieken en polymeren, vereisen een specifieke oriëntatie van de bouwstenen. Dit maakt kristallisatie moeilijker en kan leiden tot beperkte kristalliniteit of amorfe structuren [25](#page=25) [26](#page=26). * **Ladingsverschillen:** Het aanwezig zijn van ladingsverschillen tussen bouwstenen, zoals bij zouten (positieve en negatieve ionen), kan de aantrekking tussen deeltjes bevorderen en de kristallisatie beïnvloeden [24](#page=24). #### 3.1.3 Viscositeit van de smelt De viscositeit van de smelt is direct gerelateerd aan de mobiliteit van de bouwstenen. Een lage viscositeit (dunne smelt) zorgt ervoor dat de bouwstenen gemakkelijk kunnen bewegen en zich kunnen herschikken om een kristalstructuur te vormen, wat leidt tot gemakkelijke kristallisatie. Hoge viscositeit (visceuze smelt) beperkt de bewegingsvrijheid van de bouwstenen aanzienlijk, waardoor kristallisatie moeilijker wordt en vaak alleen mogelijk is bij zeer langzame afkoeling of met beperkte kristalliniteit [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24) [25](#page=25) [26](#page=26). ### 3.2 Materiaalspecifieke kristallisatiekenmerken De combinatie van de bovengenoemde factoren resulteert in verschillende kristallisatiekenmerken voor verschillende materiaalklassen. #### 3.2.1 Kristallisatie van metalen Metalen kristalliseren over het algemeen zeer gemakkelijk. Dit komt door [23](#page=23): * **Bouwstenen:** Kleine, individuele atomen met een eenvoudige, bolvormige structuur [23](#page=23). * **Soort binding:** Niet-stereospecifieke bindingen zonder significante ladingsverschillen [23](#page=23). * **Viscositeit:** Een dunne, laag-viskeuze smelt [23](#page=23). Bij zuivere metalen zijn de bouwstenen allemaal gelijk, wat de kristallisatie verder vereenvoudigt. Krimp tijdens de stolling is een typisch fenomeen bij metaalkristallisatie, gerelateerd aan de overgang van vloeistof naar vaste toestand [19](#page=19) [23](#page=23). #### 3.2.2 Kristallisatie van zouten Zouten vertonen ook relatief gemakkelijke kristallisatie. De kenmerken zijn [24](#page=24): * **Bouwstenen:** Klein, individueel, bolvormig, maar bestaande uit verschillende ionen (positief en negatief) ] [24](#page=24). * **Soort binding:** Niet-stereospecifieke bindingen, maar met duidelijke ladingsverschillen tussen de ionen die elkaar aantrekken [24](#page=24). * **Viscositeit:** Een vloeibare smelt met lage viscositeit [24](#page=24). #### 3.2.3 Kristallisatie van keramieken Keramieken hebben over het algemeen een moeilijkere kristallisatie. Dit is te wijten aan [25](#page=25): * **Bouwstenen:** Kunnen variëren van klein tot redelijk groot, en soms complex van vorm. Bestaan uit verschillende moleculen [25](#page=25). * **Soort binding:** Vaak stereospecifieke covalente bindingen die een specifieke oriëntatie vereisen. Soms zijn er ook ladingsverschillen aanwezig [25](#page=25). * **Viscositeit:** De smelt is typisch zeer viskeus, wat de beweging van de bouwstenen sterk beperkt. Kristallisatie vereist daarom vaak trage afkoeling [25](#page=25). #### 3.2.4 Kristallisatie van polymeren Polymeren zijn de meest uitdagende materialen als het gaat om kristallisatie. Hun kenmerken zijn [26](#page=26): * **Bouwstenen:** Zeer groot en complex van structuur, met variërende groottes [26](#page=26). * **Soort binding:** Hoofdzakelijk stereospecifieke covalente bindingen binnen de moleculen, en secundaire bindingen tussen de moleculen [26](#page=26). * **Viscositeit:** De smelt is extreem viskeus, wat de rangschikking van de lange polymeerketens voor kristallisatie zeer bemoeilijkt [26](#page=26). Vanwege deze factoren kunnen polymeren zelden een 100% kristallijne structuur bereiken [26](#page=26). > **Tip:** Begrip van deze factoren is cruciaal voor het voorspellen en controleren van de materiaaleigenschappen na stolling, aangezien de kristallijne structuur de mechanische, thermische en elektrische eigenschappen van een materiaal sterk beïnvloedt [19](#page=19). --- # Eigenschappen en toepassingen van amorfe materialen Dit deel van de studiehandleiding verkent de unieke kenmerken van amorfe materialen, waaronder het fenomeen verglazing, de concepten rond de glasovergangstemperatuur (Tg), en hun uiteenlopende toepassingen, met speciale nadruk op polymeren en keramieken. ### 4.1 Kenmerken van amorfe materialen Amorfe materialen worden gekenmerkt door een willekeurige, niet-periodieke atomaire of moleculaire rangschikking, vergelijkbaar met de structuur van een vloeistof, maar dan in vaste toestand. Dit staat in contrast met kristallijne materialen, die een geordende, periodieke structuur bezitten [31](#page=31). #### 4.1.1 Verglazing (vitrificatie) Verglazing, ook wel vitrificatie genoemd, is het proces waarbij een vloeistof bij afkoeling stolt zonder kristallisatie te ondergaan, wat resulteert in een amorfe vaste stof. Dit gebeurt typisch wanneer de afkoelsnelheid hoog genoeg is om atomen of moleculen niet de tijd te geven zich in een geordende kristalstructuur te herschikken [31](#page=31). #### 4.1.2 De glasovergangstemperatuur (Tg) De glasovergangstemperatuur, aangeduid als $T_g$, is niet een scherpe smeltpunt zoals bij kristallijne materialen, maar eerder een temperatuursgebied waarin de overgang van een glasachtige (amorfe) toestand naar een meer visceuze of rubberachtige toestand plaatsvindt. Deze temperatuur is afhankelijk van de afkoelsnelheid; hogere afkoelsnelheden leiden tot hogere waargenomen $T_g$-waarden [31](#page=31). * **Afkoelsnelheid:** Voor het verkrijgen van amorfe metalen zijn extreem hoge afkoelsnelheden vereist, variërend van $10^4$ tot $10^6$ K/s [32](#page=32). #### 4.1.3 Gedrag boven de glasovergangstemperatuur Boven de glasovergangstemperatuur ($T_g$) vertonen amorfe materialen een aanzienlijk hogere viscositeit die geleidelijk afneemt naarmate de temperatuur verder stijgt. Net boven de $T_g$ kan het materiaal een "rubberachtig" gedrag vertonen. Verwerkbaarheid, zoals glasblazen of gieten, is meestal pas mogelijk bij hogere temperaturen dan de $T_g$ [38](#page=38). > **Tip:** Sommige materialen, zoals beton, thermoharders en elastomeren, worden niet vloeibaar bij verhitting, maar degraderen in plaats daarvan bij hogere temperaturen [38](#page=38). ### 4.2 Toepassingen van amorfe materialen De unieke structuur en eigenschappen van amorfe materialen maken ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen in diverse sectoren. #### 4.2.1 Amorfe keramieken Keramische materialen kunnen gemakkelijk verglazen. Gesmolten keramiek, zoals kwartszand, zal bij afkoeling doorgaans een amorfe structuur aannemen. Gietprocessen zijn vaak geschikt voor het produceren van amorfe keramische materialen. Geologische gesteenten zijn voorbeelden van materialen die door extreem trage afkoeling kristallijn kunnen worden, maar onder snellere omstandigheden ook amorf kunnen zijn [33](#page=33). #### 4.2.2 Amorfe polymeren Macromoleculen in polymeren zorgen voor een hoge viscositeit, wat de ordening tot een kristalstructuur bemoeilijkt en soms onmogelijk maakt, leidend tot amorfe polymeren [35](#page=35). * **Voorbeelden van amorfe polymeren:** * Polycarbonaat (PC) [35](#page=35). * Plexiglas (polymethylmethacrylaat, PMMA) [35](#page=35). #### 4.2.3 Semikristallijne polymeren Sommige polymeren vertonen een structuur die deels geordend (kristallijn) en deels wanordelijk (amorf) is. Op bepaalde plaatsen kan ordening ontstaan, leidend tot de vorming van kleine kristallen die afgewisseld worden met amorf, zeer visceus materiaal. De amorfe gebieden kunnen verglazen bij afkoeling, wat resulteert in een semikristallijn materiaal. Bij deze materialen zijn zowel de glasovergangstemperatuur ($T_g$) als de smelttemperatuur ($T_m$) relevant [36](#page=36). #### 4.2.4 Vergelijking van glasovergangstemperatuur en smelttemperatuur Verschillende materialen vertonen uiteenlopende glasovergangstemperaturen ($T_g$) en smelttemperaturen ($T_m$). | Materiaal | Glasovergangstemperatuur (°C) | Smelttemperatuur (°C) | | :-------------------------- | :---------------------------: | :-------------------: | | Vensterglas ($SiO_2-Na_2O$) | 454 - 607 | - | | Pyrex ($SiO_2-B_2O_3-ZnO$) | 463 - 618 | - | | Vitrokeramiek ($SiO_2-Al_2O_3$) | 563 - 605 | - | | EPDM rubber | -60 - -45 | - | | Polyisopreen rubber | -75 - -69 | - | | Epoxy | 67 - 167 | - | | Fenolformaldehyde | 170 - 270 | - | | Plexiglas (PMMA) | 96 - 104 | - | | Polycarbonaat | 142 - 158 | - | | Polypropyleen | -14 - -6 | 161 - 170 | | Polyamide 6-6 (Nylon) | 54 - 66 | 255 - 265 | #### 4.2.5 Toepassingsvoorbeelden * **Smartphone-scherm:** Een amorf materiaal zoals gehard glas (een vorm van gevitrificeerd silica) wordt vaak gebruikt voor smartphone-schermen vanwege de transparantie, gladheid en weerstand tegen krassen. De willekeurige structuur voorkomt de vorming van breuklijnen op specifieke punten, zoals bij kristallen zou kunnen gebeuren [39](#page=39). * **Zonnepaneel:** Zonnepanelen gebruiken vaak kristallijn silicium vanwege de specifieke elektronische eigenschappen die de efficiënte omzetting van zonlicht in elektriciteit mogelijk maken. De geordende structuur is essentieel voor de halfgeleidende eigenschappen [39](#page=39). De keuze tussen een amorf en kristallijn materiaal hangt sterk af van de gewenste eigenschappen voor een specifieke toepassing, waarbij de interne structuur (orde versus chaos) een cruciale rol speelt [39](#page=39). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Kristallijne materialen | Materialen die gekenmerkt worden door een regelmatige, herhalende atomaire of moleculaire structuur, die leidt tot discrete kristallen met specifieke facetten en geometrische vormen. | | Amorfe materialen | Materialen die een wanordelijke, niet-periodieke atomaire of moleculaire structuur vertonen, vergelijkbaar met de structuur van een vloeistof, zonder duidelijke kristallijne vlakken of lange-afstandsorientatie. | | Metaalbinding | Een type chemische binding dat voorkomt in metalen, waarbij valence-elektronen gedelokaliseerd zijn in een elektronendichtheid die de positief geladen metaalionen omringt en bij elkaar houdt door elektrostatische aantrekking. | | Ionische binding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen tegengesteld geladen ionen, typisch gevormd tussen een metaal en een niet-metaal, waarbij de ionen zich zo compact mogelijk rangschikken. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij atomen elektronen delen om stabiele moleculaire orbitalen te vormen; deze binding is sterk richtingsgebonden en leidt tot complexe lokale structuren met specifieke bindingshoeken. | | Secundaire bindingen | Zwakkere intermoleculaire krachten, zoals van der Waalskrachten en waterstofbruggen, die optreden tussen moleculen of atomen die al primair gebonden zijn; ze zijn minder stereospecifiek en hebben grotere evenwichtsafstanden. | | Kristallisatie | Het proces waarbij atomen, ionen of moleculen zich organiseren in een geordende, kristallijne structuur, typisch tijdens afkoeling vanuit een vloeibare of gasfase, wat vaak gepaard gaat met een volumeverandering. | | Glasovergangstemperatuur (Tg) | De temperatuur waarbij een amorf materiaal van een harde, glasachtige toestand overgaat naar een meer rubberachtige of vloeibare toestand; het is een temperatuurbereik en geen scherpe smeltpunten. | | Smelt- of stollingstemperatuur (Tm) | De specifieke temperatuur waarbij een kristallijn materiaal smelt (overgaat van vast naar vloeibaar) of stolt (overgaat van vloeibaar naar vast), gekenmerkt door een plotselinge verandering in thermodynamische eigenschappen zoals volume. | | Polykristallijne materialen | Materialen die bestaan uit talrijke kleine kristallen (kristallieten) die willekeurig georiënteerd zijn, met korrelgrenzen tussen de individuele kristallen; de meeste bulkmaterialen vallen hieronder. | | Monokristallijne materialen | Materialen die bestaan uit één enkel, continu kristal zonder korrelgrenzen, waarbij de kristallografische oriëntatie uniform is door het gehele materiaal; vaak gebruikt in elektronica en turbines. | | Vitrificatie | Het proces van verglazing, waarbij een vloeistof onder hoge afkoelsnelheid overgaat in een amorfe, glasachtige vaste stof zonder te kristalliseren; dit is essentieel voor de vorming van glas. |

# Fysische eigenschappen van materialen Fysische eigenschappen van materialen onderzoeken de structuur, het gedrag en de duurzaamheid van materialen. ## 1. Fysische eigenschappen van materialen Dit hoofdstuk duikt in de fundamentele fysische eigenschappen van materialen, met een focus op hoe hun structuur hun gedrag en duurzaamheid beïnvloedt. De leerdoelen omvatten het begrijpen en berekenen van dichtheid, het definiëren en toepassen van specifieke warmtecapaciteit, het uitleggen van thermische vereffening, en het verklaren van de verschillen in eigenschappen tussen diverse materiaalfamilies. Een alledaagse observatie die de relevantie van deze eigenschappen illustreert, is waarom metaal koud aanvoelt en hout warm, zelfs bij dezelfde temperatuur [1](#page=1) [2](#page=2) [3](#page=3). ### 1.1 Dichtheid De dichtheid van een materiaal is een essentiële eigenschap die sterk gerelateerd is aan zijn structuur. Het kan worden berekend op basis van de molmassa, de kristalstructuur en de atoomdiameter van het materiaal [2](#page=2). ### 1.2 Specifieke warmtecapaciteit De specifieke warmtecapaciteit is een maat voor de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een eenheid van massa van een stof met één graad Celsius (of Kelvin) te verhogen. Dit concept is cruciaal voor het begrijpen hoe materialen reageren op temperatuurveranderingen en hoe efficiënt ze warmte kunnen opslaan of afgeven. Toepassingen in berekeningen zijn gebaseerd op deze definitie [2](#page=2). ### 1.3 Thermische vereffening Thermische vereffening, ook wel warmtegeleiding of warmtediffusie genoemd, beschrijft het proces waarbij temperatuurverschillen binnen een materiaal worden uitgevlakt. Dit fenomeen verklaart waarom een metalen panbodem de warmte efficiënt verspreidt [2](#page=2). ### 1.4 Verschillen in eigenschappen tussen materiaalfamilies De materiaalfamilies, zoals metalen, keramiek, polymeren en composieten, vertonen inherente verschillen in hun fysische eigenschappen. Deze verschillen vloeien voort uit hun atomaire en moleculaire structuren, bindingskrachten en microstructuur. Het begrijpen van deze verschillen is essentieel voor materiaalselectie in specifieke toepassingen [2](#page=2). ### 1.5 Praktische toepassingen en compromissen De keuze van materialen voor specifieke toepassingen vereist een afweging van verschillende fysische eigenschappen. Bijvoorbeeld, bij het ontwerpen van een panbodem die snel moet opwarmen, warmte goed moet verspreiden én licht moet zijn, spelen dichtheid, kristalstructuur en warmtecapaciteit een sleutelrol. Het vinden van het juiste compromis tussen deze eigenschappen is vaak noodzakelijk [13](#page=13). > **Tip:** Bij het analyseren van materiaalgedrag is het belangrijk om niet alleen naar individuele eigenschappen te kijken, maar ook naar de interacties daartussen. Zo kan een hoge thermische geleidbaarheid, gecombineerd met een lage dichtheid, leiden tot een materiaal dat zeer geschikt is voor toepassingen waar zowel snelle warmteoverdracht als gewichtsbesparing belangrijk zijn. --- # Dichtheid van materialen Dit hoofdstuk behandelt de berekening en interpretatie van de dichtheid van materialen, met een focus op de relatie tussen macroscopische dichtheid en microscopische atomaire eigenschappen, geïllustreerd met het voorbeeld van koper [4](#page=4) [5](#page=5). ### 2.1 Berekening van de atoomdichtheid en materiaaldichtheid De dichtheid van een materiaal kan worden berekend op basis van de molmassa, de kristalstructuur en de atoomdiameter [5](#page=5). #### 2.1.1 Massaperatoom en atoomdichtheid Om de dichtheid te releren aan atomaire eigenschappen, wordt de massa van één atoom berekend door de molmassa te delen door het getal van Avogadro ($N_A \approx 6.022 \times 10^{23}$ mol$^{-1}$) [5](#page=5). De massa van één koperatoom ($m$) wordt berekend met: $m = \frac{\text{Molmassa}}{N_A}$ [5](#page=5). Voor koper is de molmassa 63.546 g/mol. $m_{\text{Cu}} = \frac{63.546 \text{ g/mol}}{6.022 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}} \approx 1.0552 \times 10^{-25} \text{ kg}$ [5](#page=5). Het volume van één atoom ($V_{\text{atoom}}$) wordt benaderd met de formule voor het volume van een bol, waarbij de atoomdiameter ($d$) wordt gebruikt als diameter van de bol ($R = d/2$) [5](#page=5). $V_{\text{atoom}} = \frac{4}{3}\pi R^3 = \frac{4}{3}\pi \left(\frac{d}{2}\right)^3$ [5](#page=5). Voor koper met een atoomdiameter van 0.256 nm: $R = \frac{0.256 \text{ nm}}{2} = 0.128 \text{ nm} = 1.28 \times 10^{-10} \text{ m}$ [5](#page=5). $V_{\text{atoom}} = \frac{4}{3}\pi (1.28 \times 10^{-10} \text{ m})^3 \approx 8.78 \times 10^{-30} \text{ m}^3$ [5](#page=5). De atoomdichtheid ($\rho_{\text{atoom}}$) is het aantal atomen per volume-eenheid. De berekening hiervan uit de gegeven informatie is enigszins onduidelijk in de bron, maar kan worden afgeleid uit de materiaaldichtheid en de massa van één atoom [5](#page=5). #### 2.1.2 Dichtheid op basis van kristalstructuur De materiaaldichtheid kan ook worden afgeleid uit de eenheidscel van het kristalrooster. Voor koper, dat een kubisch vlakgecentreerd (FCC) kristalstructuur heeft, raken de atomen elkaar volgens de diagonaal van een zijvlak [6](#page=6). De zijdelengte ($a$) van de eenheidscel kan worden gerelateerd aan de atoomradius ($R$) voor een FCC-structuur: $2\sqrt{2}R = a$ [6](#page=6). Voor koper met $R = 0.128$ nm: $a = 2\sqrt{2} \times 0.128 \text{ nm} \approx 0.362 \text{ nm}$ [6](#page=6). Het volume van de eenheidscel ($V_{\text{cel}}$) is dan: $V_{\text{cel}} = a^3 = (0.362 \text{ nm})^3 \approx 4.745 \times 10^{-29} \text{ m}^3$ [6](#page=6). Een eenheidscel van een FCC-structuur bevat 4 atomen (8 hoekpunten met elk 1/8 + 6 zijvlakken met elk 1/2 = 1 + 3 = 4 atomen) [6](#page=6). De massa in één eenheidscel ($m_{\text{cel}}$) is het aantal atomen in de cel vermenigvuldigd met de massa van één atoom: $m_{\text{cel}} = 4 \times m_{\text{Cu}} = 4 \times 1.0552 \times 10^{-25} \text{ kg} \approx 4.221 \times 10^{-25} \text{ kg}$ [6](#page=6). De dichtheid van het materiaal ($\rho_{\text{materiaal}}$) wordt dan berekend als de massa van de eenheidscel gedeeld door het volume van de eenheidscel: $\rho_{\text{materiaal}} = \frac{m_{\text{cel}}}{V_{\text{cel}}}$ [6](#page=6). $\rho_{\text{Cu}} = \frac{4.221 \times 10^{-25} \text{ kg}}{4.745 \times 10^{-29} \text{ m}^3} \approx 8895 \text{ kg/m}^3$ [6](#page=6). Dit berekende resultaat ligt zeer dicht bij de experimenteel bepaalde dichtheid van zuiver koper, die 8960 kg/m³ bedraagt [5](#page=5) [6](#page=6). > **Tip:** Het berekenen van de dichtheid op basis van de kristalstructuur vereist kennis van het aantal atomen per eenheidscel en de relatie tussen de atoomdiameter en de zijdelengte van de eenheidscel, die afhangt van de specifieke kristalstructuur (bv. FCC, BCC, hexagonaal). #### 2.1.3 Verhouding van atoomdichtheid tot materiaaldichtheid Een interessante analyse betreft de verhouding van de berekende atoomdichtheid (gebaseerd op het volume van losse atomen) tot de gemeten materiaaldichtheid. De bron vermeldt voor koper een verhouding van 1.34. Dit suggereert dat de effectieve pakking van atomen in een kristalrooster efficiënter is dan wanneer men de volumes van individuele atomen simpelweg optelt [5](#page=5). ### 2.2 Dichtheid van diverse materialen De dichtheid is een fundamentele materiaaleigenschap die varieert afhankelijk van het materiaal en kan een indicatie geven van de atomaire samenstelling en pakking [10](#page=10). > **Example:** Een vergelijking van de dichtheden van verschillende materialen toont grote variaties. Diamant heeft bijvoorbeeld een dichtheid van 3510 kg/m³, terwijl hout (eik) slechts 750 kg/m³ bedraagt. Deze verschillen worden bepaald door de atoommassa, de atoomgrootte en de manier waarop de atomen in het materiaal gerangschikt zijn (kristallijn, amorf, moleculair) [10](#page=10). Hieronder een tabel met de dichtheden van diverse materialen: | Materiaal | Densiteit (kg/m³) | Specifieke Warmtecapaciteit (J/kg.K) | $\rho C_p$ (kJ/m³.K) | | ------------------------ | ----------------- | ----------------------------------- | ------------------- | | Diamant | 3510 | 510 | 1800 | | Grafiet | 2230 | 710 | 1600 | | Beton | 2400 | 920 | 2200 | | Vensterglas | 2500 | 900 | 2250 | | SiC | 3175 | 800 | 2550 | | Aluminium | 2700 | 935 | 2500 | | IJzer | 7800 | 460 | 3600 | | Goud | 19350 | 130 | 2500 | | Koper | 8950 | 385 | 3400 | | Hout (eik) | 750 | 1700 | 1300 | | Polypropyleen | 900 | 1680 | 1500 | | Polyamide 6-6 (nylon) | 1140 | 1520 | 1700 | | Isopreen (rubber) | 950 | 1900 | 1800 | --- # Warmtecapaciteit en thermische vereffening Dit deel van de studiehandleiding behandelt de concepten van warmtecapaciteit en thermische vereffening, waarbij de relatie tussen toegevoegde warmte, temperatuurstijging en de snelheid waarmee temperatuur zich in een materiaal verspreidt, wordt uitgelegd. ### 3.1 Warmtecapaciteit Warmtecapaciteit is een materiaaleigenschap die aangeeft hoeveel energie nodig is om de temperatuur van een voorwerp te verhogen. De hoeveelheid benodigde warmte ($Q$) is direct evenredig met zowel de massa van het voorwerp ($m$) als de temperatuursverhoging ($\Delta T$) [8](#page=8). De relatie wordt wiskundig uitgedrukt met de volgende formule: $Q = mC_p\Delta T$ [8](#page=8). Hierin staat: * $Q$ voor de benodigde warmte-energie (in Joules). * $m$ voor de massa van het voorwerp (in kilogram). * $C_p$ voor de specifieke warmtecapaciteit (in J/kg.K), wat de warmte is die nodig is om de temperatuur van 1 kilogram materiaal met 1 Kelvin te verhogen [8](#page=8). * $\Delta T$ voor de temperatuursverhoging (in Kelvin of graden Celsius). #### 3.1.1 Moleculaire grondslagen van warmtecapaciteit Op moleculair niveau is de warmtecapaciteit gerelateerd aan de trillingen van atomen in een materiaal wanneer de temperatuur stijgt. In een eenvoudig kubisch rooster worden deze trillingen beschreven door drie modi: één longitudinale en twee transversale trillingen [9](#page=9). De microscopische energie per atoom wordt benaderd door $k_B T$, waarbij $k_B$ de Boltzmannconstante is en $T$ de temperatuur. Voor een temperatuursverhoging $\Delta T$ is de energieverandering per atoom $k_B\Delta T$. Als $N$ het aantal atomen per volume-eenheid is, dan is de macroscopische energie per volume-eenheid $3Nk_B\Delta T$ [9](#page=9). De relatie tussen de macroscopische en microscopische benadering wordt gelegd door: $\rho C_p = 3Nk_B$ [9](#page=9). Hierin is $\rho$ de dichtheid van het materiaal. Deze gelijkheid toont aan dat de warmtecapaciteit wordt bepaald door de ordening en de dichtheid van het materiaal [9](#page=9). #### 3.1.2 Densiteit en specifieke warmtecapaciteit van materialen De tabel hieronder toont de dichtheid ($\rho$), specifieke warmtecapaciteit ($C_p$) en het product $\rho C_p$ (ook wel volumetrische warmtecapaciteit genoemd) voor verschillende materialen [10](#page=10). | Materiaal | Dichtheid (kg/m³) | Spec. Warmtecapaciteit (J/kg.K) | $\rho C_p$ (kJ/m³.K) | | :------------------- | :---------------- | :------------------------------ | :------------------ | | Diamant | 3510 | 510 | 1800 | | Grafiet | 2230 | 710 | 1600 | | Beton | 2400 | 920 | 2200 | | Vensterglas | 2500 | 900 | 2250 | | SiC | 3175 | 800 | 2550 | | Aluminium | 2700 | 935 | 2500 | | IJzer | 7800 | 460 | 3600 | | Goud | 19350 | 130 | 2500 | | Koper | 8950 | 385 | 3400 | | Hout (eik) | 750 | 1700 | 1300 | | Polypropyleen | 900 | 1680 | 1500 | | Polyamide 6-6 (nylon) | 1140 | 1520 | 1700 | | Isopreen (rubber) | 950 | 1900 | 1800 | #### 3.1.3 Reflectievraag: Panbodem Bij de keuze van een materiaal voor een panbodem die snel opwarmt, warmte goed verspreidt en niet te zwaar is, moeten de dichtheid, kristalstructuur en warmtecapaciteit in overweging worden genomen. Een lage dichtheid is wenselijk voor een lichtgewicht pan. Een hoge specifieke warmtecapaciteit ($C_p$) betekent dat er meer energie nodig is om op te warmen, wat niet ideaal is voor snelle opwarming. Echter, de volumetrische warmtecapaciteit ($\rho C_p$) is een belangrijke factor voor hoe snel een volume materiaal kan worden opgewarmd. Een compromis kan nodig zijn tussen deze eigenschappen [13](#page=13). ### 3.2 Thermische vereffeningscoëfficiënt De thermische vereffeningscoëfficiënt ($\alpha_d$) beschrijft hoe snel temperatuur zich homogeniseert binnen een materiaal. Dit proces van temperatuurvereffening is cruciaal in veel thermische toepassingen [11](#page=11). De coëfficiënt wordt gedefinieerd als: $\alpha_d = \frac{\lambda}{\rho C_p}$ [11](#page=11). Hierin staat: * $\lambda$ voor de warmtegeleidbaarheid van het materiaal (in W/mK), wat het vermogen is om warmte te transporteren bij een temperatuurverschil. * $\rho C_p$ voor de volumetrische warmtecapaciteit (in J/m³.K), wat de hoeveelheid warmte is die nodig is om een bepaald volume materiaal in temperatuur te laten stijgen. > **Tip:** Een lage thermische vereffeningscoëfficiënt duidt op een langzame temperatuurvereffening. Materialen met een lage $\alpha_d$ voelen vaak warm aan omdat ze de warmte van het lichaam minder snel afvoeren. #### 3.2.1 Thermische vereffening van materialen De tabel hieronder toont de thermische vereffeningscoëfficiënt ($\alpha_d$) voor verschillende materialen, naast hun volumetrische warmtecapaciteit ($\rho C_p$) en warmtegeleidbaarheid ($\lambda$) [11](#page=11). | Materiaal | $\rho C_p$ (kJ/m³.K) | $\lambda$ (W/mK) | $\alpha_d$ (mm²/s) | | :------------------- | :------------------ | :--------------- | :----------------- | | Diamant | 1800 | 2000 | 1117 | | Grafiet | 1600 | 100 | 101 | | Beton | 2200 | 2 | 0,91 | | Vensterglas | 2250 | 1 | 0,44 | | SiC | 2550 | 80 | 31,5 | | Aluminium | 2500 | 237 | 94 | | IJzer | 3600 | 79 | 22 | | Goud | 2500 | 317 | 126 | | Koper | 3400 | 390 | 113 | | Hout (eik) | 1300 | 0,37 | 0,29 | | Polypropyleen | 1500 | 0,21 | 0,14 | | Polyamide 6-6 (nylon) | 1700 | 0,24 | 0,14 | | Isopreen (rubber) | 1800 | 0,15 | 0,08 | --- # Toepassingen en reflectie Dit onderwerp bespreekt concrete toepassingen van materiaaleigenschappen en moedigt reflectie aan over materiaalkeuze op basis van specifieke fysische eigenschappen [12](#page=12) [13](#page=13). ### 4.1 Concrete toepassingen Een voorbeeld van een concrete toepassing is betonkernactivering [12](#page=12). ### 4.2 Reflectie op materiaalkeuze Een reflectievraag stimuleert nadenken over de materiaalkeuze voor een panbodem, waarbij diverse fysische eigenschappen een rol spelen [13](#page=13). #### 4.2.1 Factoren voor panbodem materiaalkeuze Bij de selectie van een materiaal voor een panbodem, met de vereisten dat het snel opwarmt, warmte goed verspreidt en niet te zwaar is, zijn de volgende eigenschappen cruciaal: * **Dichtheid:** Een lagere dichtheid draagt bij aan een lichter materiaal, wat wenselijk is voor een panbodem die niet te zwaar mag zijn [13](#page=13). * **Kristalstructuur:** De kristalstructuur van een materiaal beïnvloedt hoe goed warmte wordt geleid en hoe het materiaal reageert op temperatuurschommelingen [13](#page=13). * **Warmtecapaciteit:** Een lage warmtecapaciteit betekent dat er minder energie nodig is om het materiaal op te warmen, wat bijdraagt aan de eis van snel opwarmen [13](#page=13). #### 4.2.2 Compromissen in materiaalkeuze Vaak moeten er compromissen worden gesloten tussen deze eigenschappen. Bijvoorbeeld, materialen met uitstekende warmtegeleiding (belangrijk voor snelle opwarming en verspreiding) kunnen ook een hogere dichtheid hebben, wat resulteert in een zwaarder product. Het vinden van de optimale balans tussen deze, soms conflicterende, eigenschappen is essentieel voor het ontwerpen van een functionele panbodem [13](#page=13). > **Tip:** Denk na over de specifieke toepassingen waarvoor een materiaal wordt gekozen. De vereisten voor een panbodem (snel opwarmen, goede warmteverspreiding, lichtgewicht) kunnen heel anders zijn dan die voor bijvoorbeeld een hittebestendige ovenplaat of een gietijzeren braadpan. Dit onderstreept het belang van het begrijpen van de relaties tussen materiaaleigenschappen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Dichtheid | De dichtheid van een materiaal is de massa per volume-eenheid. Het wordt berekend door de massa van een voorwerp te delen door zijn volume. Een hogere dichtheid betekent dat er meer massa geconcentreerd is in hetzelfde volume. | | Molmassa | De molmassa van een stof is de massa van één mol van die stof, uitgedrukt in gram per mol (g/mol). Het is een fundamentele grootheid voor het omrekenen tussen massa en het aantal deeltjes (atomen of moleculen). | | Atoomdiameter | De atoomdiameter is de grootte van een individueel atoom, vaak gemeten in nanometers (nm). Het vertegenwoordigt de afstand tussen de kernen van twee aangrenzende atomen in een materiaal, of de effectieve grootte van het atoom in een bepaalde structuur. | | Specifieke warmtecapaciteit | De specifieke warmtecapaciteit ($C_p$) is de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om de temperatuur van één kilogram materiaal met één graad Celsius (of Kelvin) te verhogen, onder constante druk. Het wordt uitgedrukt in joule per kilogram per Kelvin (J/kg.K). | | Thermische vereffening | Thermische vereffening beschrijft de snelheid waarmee temperatuurverschillen binnen een materiaal verdwijnen. Een hoge thermische vereffeningscoëfficiënt betekent dat warmte zich snel verspreidt, waardoor het materiaal als warm aanvoelt. | | Thermische vereffeningscoëfficiënt | De thermische vereffeningscoëfficiënt (vaak aangeduid met $\alpha_d$) is een maat voor hoe snel temperatuur zich door een materiaal verspreidt. Het is gerelateerd aan de thermische geleidbaarheid, dichtheid en specifieke warmtecapaciteit van het materiaal. | | Kristalstructuur | De kristalstructuur beschrijft de geordende, repetitieve rangschikking van atomen, ionen of moleculen in een kristallijn vast materiaal. Veelvoorkomende structuren zijn kubisch vlakkengecentreerd (FCC) en kubisch ruimtgecentreerd (BCC). | | Kubisch vlakkengecentreerd (FCC) | Een kristalstructuur waarbij atomen zich op de hoekpunten en in het midden van elke zijvlak van een kubus bevinden. Deze structuur komt veel voor bij metalen zoals koper, aluminium en goud. | | Warmte | Warmte is een vorm van energieoverdracht die plaatsvindt als gevolg van een temperatuurverschil. Het stroomt altijd van een warmer object naar een kouder object totdat thermisch evenwicht is bereikt. | | Energie | Energie is het vermogen om arbeid te verrichten. In de context van materialen kan energie voorkomen in verschillende vormen, zoals kinetische energie van atomen (warmte) of potentiële energie in chemische bindingen. |