Inleiding in de materiaalkunde - wijha.nl · mei 2010 iii inhoud ... 5.4.3 rockwell hardheidsmeting...

Inleiding in de materiaalkunde

Ir. C.A. Brak

Hogeschool Utrecht

ii Mei 2010

Hogeschool Utrecht

Mei 2010 iii

Inhoud

1. DOEL VAN MATERIALENKENNIS ............................................................................................. 7

1.1 MATERIALEN IN DE GESCHIEDENIS ................................................................................................ 7 1.2 INDELING VAN MATERIALEN ........................................................................................................ 8 1.3 KEUZE VAN MATERIALEN ............................................................................................................ 9 1.4 DOEL VAN DE LESSEN............................................................................................................... 10

2. INWENDIGE BOUW VAN MATERIALEN ................................................................................. 11

2.1 ATOOMSOORT....................................................................................................................... 12 2.2 SOORT BINDING ..................................................................................................................... 13 2.2.1 IONENBINDING .............................................................................................................................. 14 2.2.2 COVALENTE BINDING ...................................................................................................................... 15 2.2.3 METALLISCHE BINDING ................................................................................................................... 15 2.2.4 VAN DER WAALS BINDING ............................................................................................................... 16 2.3 KRISTALROOSTER ................................................................................................................... 16 2.3.1 KUBISCH VLAKKEN GECENTERD ROOSTER ............................................................................................ 18 2.3.2 KUBISCH RUIMTELIJK GECENTERD ROOSTER ........................................................................................ 19 2.3.1 HEXAGONAAL DICHTST GEPAKTE ROOSTER .......................................................................................... 19 2.4 ELASTISCHE EN PLASTISCHE VERVORMING ..................................................................................... 20 2.5 TRANSFORMATIES IN DE VASTE STOF ........................................................................................... 21 2.6 STRUCTUUR VAN METALEN ....................................................................................................... 22 2.6.1 KORRELGROOTTE ........................................................................................................................... 25 2.6.2 MONOKRISTALLIJNE METALEN .......................................................................................................... 26 2.6.3 POLYKRISTALLIJNE METALEN ............................................................................................................ 26 2.6.4 ANISOTROPIE EN ISOTROPIE ............................................................................................................. 27 2.7 FOUTEN IN HET KRISTALROOSTER ............................................................................................... 29 2.7.1 PUNTFOUTEN ................................................................................................................................ 29 2.7.2 LIJNFOUTEN OF DISLOCATIES ............................................................................................................ 31 2.7.3 VLAKFOUTEN................................................................................................................................. 32 2.7.4 RUIMTELIJKE FOUTEN ..................................................................................................................... 33

3. DEFORMATIE, HERSTEL EN REKRISTALLISATIE ....................................................................... 35

3.1 PLASTISCHE VERVORMING ........................................................................................................ 35 3.1.1 SLIP ............................................................................................................................................. 36 3.2 VERSTEVIGING ....................................................................................................................... 37 3.2.1 VERSTEVIGING DOOR KORRELVERFIJNING. .......................................................................................... 38 3.2.2 VERSTEVIGING DOOR KOUDVERVORMEN ............................................................................................ 39 3.2.3 VERSTEVIGING DOOR OPLOSHARDING ................................................................................................ 39 3.2.4 VERSTEVIGING DOOR DE AANWEZIGHEID VAN VREEMDE DEELTJES .......................................................... 39 3.3 HERSTEL, REKRISTALLISATIE EN KORRELGROEI ................................................................................ 40 3.3.1 HERSTEL EN POLYGONISATIE ............................................................................................................ 40 3.3.2 REKRISTALLISATIE ........................................................................................................................... 41 3.3.3 KORRELGROEI ................................................................................................................................ 43 3.4 WARM- EN KOUDVERVORMING ................................................................................................. 45 3.5 BEÏNVLOEDING VAN DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN ................................................................... 47

Hogeschool Utrecht

iv Mei 2010

4. FASEDIAGRAMMEN ............................................................................................................. 49

4.1 INLEIDING ............................................................................................................................ 49 4.2 DEFINITIES ............................................................................................................................ 51 4.3 FASEREGEL ........................................................................................................................... 52 4.4 OPWARM EN AFKOELKROMMES ................................................................................................. 53 4.5 UNAIRE SYSTEMEN ................................................................................................................. 55 4.6 BINAIRE SYSTEMEN ................................................................................................................. 56 4.6.1 EVENWICHT IN VLOEIBARE TOESTAND ................................................................................................ 56 4.6.2 EVENWICHT IN DE VASTE FASE .......................................................................................................... 56 4.7 VOLLEDIGE ONOPLOSBAARHEID IN DE VASTE TOESTAND (TYPE I) ........................................................ 58 4.7.1 HET DIAGRAM ............................................................................................................................... 58 4.7.2 ALGEMENE EIGENSCHAPPEN ............................................................................................................ 61 4.7.3 DE HEFBOOMREGEL ........................................................................................................................ 62 4.8 VOLLEDIGE OPLOSBAARHEID IN DE VASTE FASE (TYPE II) ................................................................... 63 4.8.1 HET DIAGRAM ............................................................................................................................... 63 4.8.2 ALGEMENE EIGENSCHAPPEN ............................................................................................................ 65 4.9 BEPERKTE OPLOSBAARHEID IN DE VASTE FASE ................................................................................ 67 4.9.1 HET DIAGRAM ............................................................................................................................... 67 4.10 COMPLEXERE DIAGRAMMEN ................................................................................................... 69 4.10.1 HET IJZER-KOOLSTOF DIAGRAM ...................................................................................................... 69 4.11 KRISTALSEGREGATIE .............................................................................................................. 72 4.12 PRECIPITATIE EN PRECIPITATIEHARDING ..................................................................................... 74

5. MATERIAALBEPROEVING ..................................................................................................... 79

5.1 INLEIDING ............................................................................................................................ 79 5.2 DESTRUCTIEF ONDERZOEK ........................................................................................................ 80 5.3 TREKPROEF ........................................................................................................................... 80 5.3.1 DE TREKKROMME ........................................................................................................................... 82 5.3.2 ARBEID......................................................................................................................................... 87 5.3.3 WARE TREKKROMME ...................................................................................................................... 88 5.3.4 INVLOED VAN DE TEMPERATUUR ....................................................................................................... 89 5.3.5 INVLOED VAN DE MEETLENGTE ......................................................................................................... 90 5.3.6 INVLOED VAN DE REKSNELHEID ......................................................................................................... 91 5.3.7 DE BREUK ..................................................................................................................................... 91 5.4 HARDHEIDSMETINGEN ............................................................................................................. 92 5.4.1 BRINELL HARDHEIDSMETING (NEN-EN-ISO 6505-1).......................................................................... 92 5.4.2 VICKERS HARDHEIDSMETING (NEN-EN-ISO 6506-1) ......................................................................... 94 5.4.3 ROCKWELL HARDHEIDSMETING (NEN-EN-ISO 6508-1) ...................................................................... 96 5.4.4 ANDERE HARDHEIDSMETHODEN EN MOBIELE HARHEIDSTESTMETHODES .................................................. 98 5.4.5 VERGELIJKING TUSSEN VERSCHILLENDE METHODEN ............................................................................ 102 5.5 DE BUIGPROEF ...................................................................................................................... 103 5.6 KERFSLAGPROEF VOLGENS CHARPY (NEN-EN 10045-1) ................................................................ 104 5.6.1 UITVOERING VAN DE PROEF ........................................................................................................... 105 5.6.2 INVLOED VAN DE TEMPERATUUR ..................................................................................................... 106 5.6.3 TAAIE EN BROSSE BREUK................................................................................................................ 106 5.6.4 KERFSLAGENERGIE EN KERFSLAGWAARDE ......................................................................................... 107 5.7 VERMOEIING ........................................................................................................................ 108 5.7.1 EEN VERMOEIINGSPROEF ............................................................................................................... 108 5.7.2 INVLOEDSFACTOREN ..................................................................................................................... 111

Hogeschool Utrecht

Mei 2010 v

5.8 KRUIP................................................................................................................................. 112 5.8.1 DE KRUIPPROEF ........................................................................................................................... 112 5.9 OPGAVEN............................................................................................................................ 113

6. STAAL, EEN INLEIDING......................................................................................................... 117

6.1 INLEIDING ........................................................................................................................... 117 6.2 IJZERLEGERINGEN .................................................................................................................. 117 6.3 STAAL OF GIETIJZER ................................................................................................................ 119 6.3.1 STAAL ........................................................................................................................................ 119 6.3.2 GIETIJZER.................................................................................................................................... 120 6.3.3 GIETSTAAL .................................................................................................................................. 121 6.4 STAALSTRUCTUREN ................................................................................................................ 122 6.5 WARMTEBEHANDELINGEN VAN STAAL ........................................................................................ 125 6.5.1 NORMAALGLOEIEN ....................................................................................................................... 125 6.5.2 SPANNINGSARM GLOEIEN .............................................................................................................. 126 6.5.3 HARDEN ..................................................................................................................................... 126 6.5.4 VEREDELEN ................................................................................................................................. 129 6.5.5 HARDBAARHEID ........................................................................................................................... 129 6.6 GELEGEERD STAAL ................................................................................................................. 129

7. NON FERRO METALEN ......................................................................................................... 131

7.1 INLEIDING ........................................................................................................................... 131 7.1.1 WAAROM NON-FERRO METALEN .................................................................................................... 131 7.1.2 INDELING VAN DE METALEN ........................................................................................................... 132 7.2 ALUMINIUM EN ALUMINIUMLEGERINGEN .................................................................................... 134 7.2.1 EIGENSCHAPPEN VAN ZUIVER ALUMINIUM ........................................................................................ 135 7.2.2 TOEPASSINGEN VAN ZUIVER ALUMINIUM ......................................................................................... 137 7.2.3 ALUMINIUMLEGERINGEN............................................................................................................... 138 7.2.4 TOEPASSINGEN VAN ALUMINIUMLEGERINGEN .................................................................................. 139

8. KUNSTSTOFFEN .................................................................................................................. 141

8.1 INLEIDING ........................................................................................................................... 141 8.1.1 POLYMEREN EN KUNSTSTOFFEN ...................................................................................................... 141 8.2 INDELING ............................................................................................................................ 143 8.2.1 HOOFDINDELING .......................................................................................................................... 143 8.2.2 NAAMGEVING ............................................................................................................................. 144 8.2.3 MOLECULAIRE OPBOUW VAN THERMOPLASTEN ................................................................................ 147 8.2.4 MOLECULAIRE OPBOUW VAN RUBBERS ............................................................................................ 150 8.2.5 MOLECULAIRE OPBOUW VAN THERMOHARDERS ................................................................................ 151 8.2.6 FABRICAGE VAN KUNSTSTOF .......................................................................................................... 152 8.3 FASEN EN FASE-OVERGANGEN .................................................................................................. 153 8.3.1 INVLOEDSFACTOREN OP TG............................................................................................................ 155 8.4 VISCO-ELASTICITEIT ................................................................................................................ 156 8.4.1 KRUIP ........................................................................................................................................ 157 8.4.2 SPANNINGSRELAXATIE .................................................................................................................. 157 8.4.3 CRAZEVORMING .......................................................................................................................... 157 8.5 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN ................................................................................................ 159

Hogeschool Utrecht

vi Mei 2010

8.5.1 TREKPROEF ................................................................................................................................. 159 8.5.2 STIJFHEID EN KRUIP ...................................................................................................................... 160 8.5.3 VERMOEIING ............................................................................................................................... 160 8.5.4 SLAGVASTHEID ............................................................................................................................ 161 8.5.5 OVERIGE EIGENSCHAPPEN ............................................................................................................. 161 8.6 VORMGEVINGSTECHNIEKEN ..................................................................................................... 162

9. LITERATUUR ....................................................................................................................... 163

10. VRAGEN ............................................................................................................................ 165

10.1 ALGEMEEN MATERIALEN ....................................................................................................... 165 10.2 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN .............................................................................................. 167 10.3 VERVAARDIGINGSTECHNIEKEN ................................................................................................ 170

11. TREFWOORDENLIJST ......................................................................................................... 173

12. ANTWOORDEN OP DE VRAGEN UIT HOOFDSTUK 10 ........................................................... 179

12.1 ALGEMEEN MATERIALEN ....................................................................................................... 179 12.2 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN .............................................................................................. 187 12.3 VERVAARDIGINGSTECHNIEKEN ................................................................................................ 194

Hogeschool Utrecht Inwendige bouw van materialen

Mei 2010 7

1. Doel van materialenkennis 1.1 Materialen in de geschiedenis

Materialen hebben een grotere invloed op ons leven, dan we over het algemeen beseffen. Alle voorwerpen om ons heen bestaan uit materialen, die een kortere of langere ontwikkeling hebben doorgemaakt. Het ene materiaal wordt door de mens al duizenden, zelfs honderdduizenden jaren gebruikt, het andere nog slechts een tiental jaren. In feite worden vroege beschavingen aangeduid naar het niveau van hun materialenkennis (stenen tijdperk, bronzen tijdperk, ijzertijd).

De vroegste mensheid had slechts de beschikking over in de natuur voorkomende materialen zoals hout, steen, klei, huiden e.d. Pas relatief recent zijn methoden ontdekt, om materialen te maken die, wat betreft hun eigenschappen, de natuurlijke materialen overtreffen. Dit waren keramiek (gebakken klei) en metalen.

De metalen, die het vroegst voor de mensen ter beschikking stonden, waren die welke zonder veel metallurgische kennis toe te passen waren. Dus metalen, die of in zuivere vorm voorkomen, of die op zeer eenvoudige wijze uit hun oxiden te reduceren zijn. Het is geen toeval, dat de edele metalen de eerste metalen waren, die de mensen toepasten.

In tabel 1.1 is een deel van de elektrochemische spanningsreeks gegeven. In deze reeks zijn de metalen gerangschikt naar het spanningsverschil, dat zij hebben met een zogenaamde waterstofelektrode. Naar mate dit spanningsverschil meer negatief is, is de binding met zuurstof sterker en zijn de metalen onedeler. Uit deze tabel is duidelijk het verband te zien tussen de mogelijkheid de diverse metalen uit hun ertsen vrij te maken en het moment waarop men ze begon te gebruiken.

Metaal Spanning ten opzichte van waterstofelektrode (normaalpotentiaal)

begin van gebruik

Au 1+ Ag 1+ Cu 2+ Sn 2+ Fe 2+ Zn 2+ Al 3+ Mg 3+

+1,5 +0,81 +0,34 -0,14 -0,44 -0,76 -1,62 -2,84

<4000 v Chr. <4000 v Chr. 4000 v. Chr. 2000 v. Chr. 1000 v. Chr. 1500 n. Chr. 1850 n. Chr. 1850 n. Chr.

Tabel 1.1 Betrekking tussen de elektrochemische spanningsreeks en de toepasbaarheid van een aantal metalen.

Hogeschool Utrecht Doel van materialenkennis

8 Mei 2010

Na goud en zilver verschijnt koper. Door toevoeging van het eveneens vrij eenvoudig te verkrijgen tin, werd brons verkregen, dat een lager smeltpunt heeft dan zuiver koper. Hierdoor werd de verwerking door gieten en smeden aanzienlijk vereenvoudigd.

Tot slot van deze paragraaf een aantal mijlpalen in de geschiedenis van de verwerking van materialen:

Versteviging door koudvervorming 4000 v. Chr.

Harden van staal 1000 v. Chr.

Precipitatieharden van aluminium 1905 n. Chr.

Superlegeringen 1950 n. Chr.

1.2 Indeling van materialen

Waar wij over praten, zijn materialen waar voorwerpen van worden gemaakt, dus de vaste stoffen. Deze worden in vier groepen ingedeeld. De indeling is in hoofdzaak gebaseerd op atoombinding. Hieronder volgt een kort overzicht. Op een en ander wordt in de rest van de cursus teruggekomen.

Metalen

Dit zijn meestal combinaties van zuivere metalen, legeringen genoemd. Ze bevatten grote aantallen vrije elektronen. Dit zijn niet aan bepaalde atomen gebonden elektronen, die de typische eigenschappen aan metalen geven.

Keramische materialen

Het zijn verbindingen van

metalen met zuurstof (oxiden), stikstof (nitriden) en zwavel (sulfiden). Ze worden gekenmerkt door de ionenbinding. Ze zijn hittebestendiger en sterker dan metalen en polymeren (plastics), maar veel brosser. Het zijn elektrische isolatoren. Tot de groep behoren onder andere gebakken klei, glas en cement. Ook de technische keramiek (bestaande uit zeer zuivere grondstoffen) hoort hier thuis.

Polymeren

Ze bevatten de familie van de plastics en rubbers. Ze bestaan uit organische verbindingen, voornamelijk van koolstof en waterstof. Het zijn zeer lange moleculen (5000 à 10000 C-atomen op een rij). Hun samenhang is gebaseerd op zowel covalente bindingen als Van der Waals krachten. Dit geeft aan de ene kant de hoge sterkte van kunststofvezels en de grote flexibiliteit van plastics aan de andere kant.

Composieten

Dit zijn combinaties van materialen zoals gewapend beton, glasvezel gevulde polyester (bijv. in boten). Er is een grote ontwikkeling in deze materialen,


Mei 2010 9

omdat de gunstige eigenschappen van zeer verschillende materialen gecombineerd kunnen worden.

Een bekende vertegenwoordiger in deze groep is het hardmetaal (onder andere gesinterde wolframcarbides voor verspaning).

1.3 Keuze van materialen Gezien het grote aantal materialen, dat ons in onze tijd ter beschikking staat, is het een heel karwei om de juiste keuze te maken. Voor de keuze van een materiaal zijn van belang:

• de bedrijfsomstandigheden

• de vorm

• de fabricagemethoden

• de economische factoren (de kosten)

• de milieu aspecten (een steeds belangrijker factor)

Een model, waarin de samenhang van de diverse factoren is geïllustreerd, is weergegeven in figuur 1.1.

De factor milieu is hierin nog niet verwerkt, maar hoort zeker in belangrijke mate bij de keuze betrokken te worden.

Voorbeeld: Nemen we als voorbeeld een vat. Bij het ontwerp is het van belang wat voor soort vat het moet worden. Moet het een emmer worden, of een pan, een melkcontainer, een buffervat waar voortdurend vloeistof doorheen loopt, een vat om chemicaliën in op te slaan, een drukvat voor bier, een stoomketel, of een drukvat voor een kernreactor? Uit de bedrijfsomstandigheden kunnen de mechanische, chemische en fysische eigenschappen worden afgeleid waaraan een materiaal moet voldoen.

Figuur 1.1 De verschillende factoren, die bij het ontwerpen een rol spelen en nauw met elkaar samenhangen.

Corrosie, slijtage, vermoeiing

Vorm, gebruiksdoel

Lassen, verspanen, gieten....

Metalen, kunststoffen, keramiek...

Hogeschool Utrecht Doel van materialenkennis

10 Mei 2010

De vorm wordt niet alleen door bedrijfsomstandigheden bepaald, maar ook door de materiaalkeuze. Omgekeerd kan een materiaalkeuze tot een bepaalde vorm leiden. Zo zal bijvoorbeeld de keuze van een kunststof (plastic) tot een andere fabricagemethode leiden en daaraan gepaard een andere vorm, dan de keuze van een metaal. De keuze van een gegoten ontwerp maakt dat het materiaal gietbaar moet zijn.

Voor een constructie kan het in veel gevallen van belang zijn, dat deze tijdens bedrijf bewaakt kan worden en dat er onderhoud aan gepleegd kan worden. Ook hiermee moet in het ontwerp rekening gehouden worden.

Over de wederzijdse invloed van de fabricagemethode op het ontwerp is hiervoor al iets gezegd. De fabricagemethode is echter ook van grote invloed op de structuur en daarmee de mechanische eigenschappen van het materiaal. Bijvoorbeeld zijn de eigenschappen van een gegoten stalen cilinder anders, dan die van een gewalste plaat die rond gezet is en vervolgens gelast.

De milieu-aspecten komen de laatste jaren meer en meer aan de orde. Niet alleen de omgeving waarin het product betrouwbaar moet kunnen functioneren, is van belang. Ook de hoeveelheid energie bij de winning van het materiaal, de fabricage en in bedrijf zijn van het product (vliegtuigen). Verder het produceren van giftige bijproducten tijdens de fabricage, het produceren van giftige stoffen bij de vernietiging aan het einde van de levenscyclus. De mate van hergebruik gaat een steeds grotere rol spelen.

Het alles omvattende punt in onze maatschappij zijn de kosten, die daarom ook centraal in figuur 1.1 staan.

Uit een en ander is hopelijk duidelijk geworden hoe verweven de materiaalkeuze is met alle andere aspecten van het ontwerpen. Dit vergt een systematische aanpak. We spreken in zo een geval van een systeemconcept. Hierop wordt aan het eind van het dictaat nader ingegaan.

1.4 Doel van de lessen Zoals uit het voorafgaande blijkt, is materialenkennis een belangrijk onderdeel van het ontwerpproces.

De bedoeling van de lessen is materiaaleigenschappen vanuit de structuur te begrijpen. Hierdoor kan op eenvoudige wijze een vergelijking tussen materialen worden gemaakt. Hierdoor kan ook bij de verwerking gelijksoortig of verschillend gedrag begrepen worden.

In dit dictaat zal ruim aandacht besteed worden aan de praktische toepassingen van de theorie.


Mei 2010 11

2. Inwendige bouw van materialen

De eigenschappen van materialen hangen nauw samen met de inwendige bouw van die materialen. Hieronder wordt verstaan:

• de atoomsoort;

• de soort binding tussen de atomen;

• de atomaire structuur (dat wil zeggen het soort rooster of kristalvorm);

• de microstructuur en de afwijkingen daarin (roosterfouten).

In tabel 2.1 zijn verschillende eigenschappen en de samenhang met de inwendige bouw gegeven.

In dit hoofdstuk zullen een aantal van deze eigenschappen verklaard worden vanuit de inwendige bouw.

Eigenschappen voorbeelden wordt vooral bepaald door:

Fysische soortelijke warmte smeltpunt geleidbaarheid uitzettingscoëfficiënt magnetiseerbaarheid

atoomsoort kristalvorm

Chemische weerstand tegen: zuren, basen, water, olie weerstand tegen oxydatie

atoomsoort kristalvorm structuur

Mechanische hardheid sterkte taaiheid elastisch gedrag vermoeiingsgedrag

atoomsoort *) kristalvorm microstructuur

Technologische gietbaarheid walsbaarheid lasbaarheid oppervlakte gesteldheid verspaanbaarheid

microstructuur atoomsoort kristalvorm

Zintuiglijke klank kleur glans

kristalvorm

*) De verschillen tussen metalen en niet-metalen worden bepaald door de soort binding.

Tabel 2.1 Relatie tussen materiaaleigenschappen en inwendige bouw van materialen.


12 Mei 2010

2.1 Atoomsoort

Atomen bestaan uit een positief geladen kern waaromheen een stelsel van negatieve eenheidsladingen, elektronen, cirkelt. De atoomkern is opgebouwd uit positieve eenheidsladingsdragers, de protonen, en uit elektrisch ongeladen deeltjes, de neutronen. Door het atoom als geheel elektrisch neutraal is moet het aantal protonen in de kern gelijk zijn aan het aantal elektronen.

De massa van het atoom is vrijwel geheel geconcentreerd in de kern.: een proton is 1835× zo zwaar als een elektron. De diameter van een atoomkern is uiterst klein in vergelijking met de atoomdiameter (grootte-orde 10 -6 nm). Hieruit volgt materie in feite uiterst “ijl” is. Dat materie desondanks “hard” aanvoelt komt door de zeer grote snelheid van de elektronen, die hierdoor de ijle ruimte (gemiddeld) opvullen. De baan van een stilstaande tweebladige propeller is overwegend leeg. De hand in dezelfde baan van een draaiende propeller steken is af te raden.

De elektronen bewegen zich om de kern in zogenaamde schalen en subschalen (schillen). De bezetting van de schalen wordt bepaald door 2n2, waarin n het hoofdquantumgetal is (n = 1, 2, 3,...) De bezetting van de schillen kan men berekenen met de formule 2(2l+1), waarin l het nevenquantumgetal voorstelt. (l=0,1,2,3,...). De schalen worden aangeduid met de letters K, L, M, ..., de schillen met s, p, d en f, ... Een gemeenschappelijk kenmerk van metalen is dat zij weinig elektronen in de buitenste schaal hebben.

Voorbeeld Koper heeft atoomnummer 29 De verdeling van de elektronen( de “elektronenconfiguratie”) is dan als volgt:

n Schaal aanduiding

l schil aanduiding

aantal elektronen

per schil per schaal

1 K 0 s 2 2

2 L 0 s 2 8

1 p 6

3 M 0 s 2 18

1 p 6

2 d 10

4 N 0 s 1 (max. 2) 1 (max 32)

De elektronenconfiguratie voor koper wordt meestal als volgt weergegeven: 1s22s22p63s23p63d104s1


Mei 2010 13

Het is overigens niet zodat men elektronen alleen moet zien als bolletjes die om een kern cirkelen (het Bohr-model). Het elektron heeft ook kenmerken van elektromagnetische golven, waardoor de positie van het elektron in de schillen beschreven moet worden als een waarschijnlijkheid. Men duidt dit meestal aan met de term “elektronenwolk”.

2.2 Soort binding De soort binding tussen de atomen van een verbinding of legering is bepalend voor vele chemische en fysische eigenschappen.

De atoombinding kan misschien het best begrepen worden door na te gaan wat er gebeurt als twee geïsoleerde atomen elkaar naderen. Op grote afstand zijn de interacties te verwaarlozen, maar als ze elkaar naderen zullen ze krachten op elkaar gaan uitoefenen. Er zijn hierbij 2 soorten krachten te onderscheiden: afstotende en aantrekkende

De aantrekkende krachten zijn elektrostatische (Coulomb-)krachten, die bij grotere afstand overheersen. Als de atoomkernen te dicht bij elkaar komen gaan de afstotende krachten overheersen. Er is een evenwicht als de aantrekkende krachten gelijk zijn aan de afstotende. In dat geval is er een toestand van minimale energie tussen de twee atomen. Worden ze vanuit deze positie uit elkaar getrokken, of naar elkaar toe geduwd, dan neemt de totale energie toe. Het systeem zal zich hiertegen verzetten. Grafisch is dit in Figuur 2.1 in beeld gebracht.

Als er meer dan twee atomen bij elkaar worden gebracht, wordt het wel ingewikkelder, hoewel het principe gelijk blijft. Wat er dan gebeurt is onder andere afhankelijk van de positie en hoeveelheid van de (buitenste) elektronen. Dit leidt tot verschillende soorten bindingen.

Figuur 2.1 De potentiële energie als functie van de afstand tussen de atomen. De natuur streeft ernaar de minimum energietoestand in te nemen.


14 Mei 2010

Er worden drie sterke chemische bindingen onderscheiden:

• ionenbinding

• covalente binding

• metallische binding

Daarnaast bestaan er een aantal veel zwakkere, fysische bindingen, zoals de van der Waals binding en de waterstofbinding.

Vooral de Van der Waals binding speelt bij het gedrag van thermoplastische kunststoffen en belangrijke rol.

type binding voorbeeld materiaal

bindingsenergie smeltpunt °C

kJ / Mol eV / atoom (ion) ionenbinding NaCl

MgO 640 1000

3,3 5,2

801 2800

covalente binding Si C (diamant)

450 713

4,7 7,4

1410 >3550

metaalbinding Hg Al Fe W

68 324 406 849

0,7 3,4 4,2 8,8

-39 660 1538 3410

van der Waals binding Ar Cl2

7,7 31

0,08 0,32

-189 -101

waterstofbinding NH3 H2O

35 51

0,36 0,52

-78 0

Tabel 2.2 Relatie tussen bindingsenergie en smeltpunt van enkele materialen.

2.2.1 Ionenbinding Deze binding komt voort uit het streven van atomen naar een edelgasconfiguratie en komt voor tussen atomen van een metallisch en metalloïdisch element.

Voorbeeld: Natrium met één elektron in de buitenste schil en chloor met één elektron te weinig in de buitenste schil kunnen beide de edelgassamenstelling krijgen door de vorming van NaCl, waarbij Na een elektron afstaat aan Cl: een elektronen ruil Dus: Na + Cl → Na+ + Cl– → NaCl

Een binding van dit type noemt men ook wel heteropolair, omdat het positieve en negatieve ion elkaar elektrostatisch aantrekken. In Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. is de ionenbinding schematisch weergegeven.

De bindingsenergieën zijn relatief hoog (Tabel 2.2), waardoor er materialen gevormd worden, die sterk zijn maar bros. Doordat de elektronen vast zitten


Mei 2010 15

in de binding tussen het atoompaar, zijn deze materialen niet geleidend voor elektriciteit en warmte.

Het is de typische binding van keramische materialen en veel zouten.

Figuur 2.2 Schematische weergave van de ionenbinding in NaCl. Met wordt de elektrostatische bindingskracht voorgesteld.

Figuur 2.3 Schematische weergave van de covalente binding in een molecuul methaan (CH4).

2.2.2 Covalente binding Een andere manier om tot de edelgasconfiguratie te komen is het delen van valentie-elektronen tussen atomen. Deze bindingsvorm komt vooral voor bij metalloïden (H2, O2, Cl2). In Figuur 2.3Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. is deze binding schematisch weergegeven voor methaan. Het gaat hier om een elektronen-gemeenschap. Men noemt deze binding ook wel homopolair.

De bindingsenergie is volgens tabel 2.2 in de grootte orde van die van metalen. Echter in het meest toegepaste materialen met deze bindingsvorm, polyetheen, polypropeen en dergelijke, komt de binding C-C voor met een bindingsenergie van 250 kJ/mol. Dit is minder sterk, dan de meeste metalen.

Deze binding komt vooral voor in kunststoffen. Kunststoffen bestaan uit zeer lange moleculen. De krachten in de ketens zijn de hier besproken covalente bindingen. Echter zijn de ketens onderling gebonden door de hierna te bespreken, veel kleinere van der Waals krachten. Dit maakt, dat kunststoffen op zich niet erg sterk zijn, maar de kunststofvezels met gerichte moleculen wel sterk zijn. Doordat ook hier de elektronen aan een bepaalde plaats gebonden zijn, zijn kunststoffen slechte geleiders voor elektriciteit en warmte.

2.2.3 Metallische binding In metalen komen de bindingskrachten op een andere wijze tot stand, dan hier boven. Wel zijn het ook hier de valentie-elektronen, die de atomen binden, maar deze zijn niet beperkt tot atoomparen, maar bewegen zich vrij door het hele metaal. Ze vormen een “zee van elektronen”, of “een elektronenwolk”. We kunnen spreken van een elektronen communisme. De vrije beweging geldt dus niet voor de overige elektronen, die aan de ionen


16 Mei 2010

gebonden blijven. Deze zogenaamde ion-kernen vormen een regelmatig netwerk van positieve ladingen, dat door de vrije elektronen bij elkaar gehouden wordt. De vrije elektronen fungeren daarbij als een soort lijm. Eén en ander is schematisch weergegeven in Figuur 2.4.

De vrije elektronen zijn de oorzaak van het feit, dat metalen de elektriciteit en warmte goed geleiden.

Figuur 2.4 Schematische weergave van de metallische binding.

2.2.4 Van der Waals binding Hiertoe behoren een aantal zwakkere bindingen. Deze bindingsvorm is, in tegenstelling tot de hiervoor genoemde typen, niet chemisch maar fysische van aard. Daardoor zijn ze aanzienlijk minder sterk, dan de voorgaande typen. In Tabel 2.2 zijn eveneens van dit type een aantal voorbeelden en getallen gegeven. Bij de covalente bindingen is al gesproken over deze krachten in verband met kunststoffen, een ander voorbeeld zijn vloeistoffen. Ook de waterstofbinding hoort tot deze bindingssoort.

2.3 Kristalrooster Naar de mate van ordening, waarin de atomen of ionen zich bevinden, spreekt men over amorfe en kristallijne materialen.

In een kristallijn materiaal zijn de atomen of ionen over grote atoomafstanden in een regelmatig patroon gerangschikt (geordend).

Bij amorfe materialen is er slechts over enkele atoomafstanden ordening.

Metalen zijn kristallijn, glas en vloeistoffen zijn amorf, terwijl kunststoffen geheel of gedeeltelijk amorf kunnen zijn. Wanneer we over kristallijne structuren spreken, worden de atomen (of ionen) voorgesteld als harde bollen. In Figuur 2.6 is schematisch het verschil tussen kristallijn en amorf weergegeven.


Mei 2010 17

Figuur 2.5 Tweedimensionale weergaven van een kristallijn en een amorf glas

De meest algemene vorm van ordening kan worden voorgesteld door een parallellepipedum met op elk hoekpunt een atoom, zoals in Figuur 2.7 is weergegeven. Zo'n kleinste eenheid wordt een eenheidscel genoemd.

Bij een ruimtelijke stapeling van dergelijke eenheidscellen ontstaat een kristalstelsel.

Er zijn 7 verschillende kristalstelsel mogelijk: Tabel 2.3. Ieder kristalstelsel bestaat nog uit één of meer kristalroosters. In totaal leidt dit tot 14 mogelijke roosters.

Bij metalen gaat het meestal om kubische en hexagonale roosters. Tetragonale roosters komen ook voor (maar minder); de overige roosters zijn bij metalen zeldzaam.

Voorbeeld: Zo onderscheidt men in het kubische stelsel 3 roosters:

• een simpel kubisch rooster met atomen op ieder hoekpunt van de kubus;

• een kubus met atomen op alle hoekpunten èn één op de kruising van de lichaamsdiagonalen (kubisch ruimtelijk gecenterd, KRG);

• een kubus met atomen op alle hoekpunten èn atomen op het midden van alle vlakken. (kubisch vlakken gecenterd, KVG).

soort rooster assen hoeken

kubisch a = b = c α = β = γ = 90°

tetragonaal a = b ≠ c α = β = γ = 90°

romboëdrisch a = b = c α = β = γ ≠90°

orthorombisch a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°

hexagonaal a = b ≠ c α = β = 90°, γ =120°

monoklien a ≠ b ≠ c α = γ = 90°, β ≠90°

triklien a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠90°

Tabel 2.3 De zeven kristalstelsels.


18 Mei 2010

Figuur 2.6 Voorbeeld van een kristallijne ordening in een metaal [1].

Figuur 2.7 Meest algemene voorstelling van een zogenaamde eenheidscel, het basiselement van een kristallijne opbouw [1].

2.3.1 Kubisch vlakken gecenterd rooster Deze ordening is al in het voorbeeld van Figuur 2.6 getoond, er wordt aan de hand van Figuur 2.8 wat dieper op ingegaan.

Het is een kubus met op ieder hoekpunt en midden in ieder vlak een atoom. In deze figuur is dit schematisch weergegeven, door het "middelpunt" van elk atoom als een rondje aan te geven. Door de atomen als elkaar rakende bollen te tekenen is gemakkelijk in te zien dat de hoekpuntatomen maar voor 1/8 deel tot de eenheidscel behoren. Door het stapelen van de bollen op deze wijze krijgt men uiteindelijk een kristal. Men dient zich daarbij goed te realiseren, dat dit plaatje nog maar een buitengewoon klein deel van een kristal toont. Een gemiddeld kristal is opgebouwd uit 1019 à 1020 atomen.

In Figuur 2.8 is ook te zien, dat er tussen de atomen holtes zijn. In deze holtes kunnen kleine atomen ingevangen worden. Dit zal later blijken van groot belang te zijn o.a. bij het harden van staal. De atomen raken aan elkaar op de lijnen, die de diagonalen van de vlakken vormen. Dit zal blijken van belang te zijn bij het vervormen van metalen.

De afkorting voor de naam van dit rooster is KVG (in het Engels: FCC = Face Centered Cubic).

Voorbeelden Ag, Al, Au, Cu, γ–Fe, Ni, Pb, Austenitisch roestvast staal.

Figuur 2.8 Het kubisch vlakken gecenterd rooster op verschillende manieren weergegeven Het rooster bevat 4 atomen per eenheidscel, nl 8 hoekpunten voor elke kubus die elk voor 1/8 tellen + 6 halve zijvlakatomen Zie ook Figuur 2.6 voor een representatie met meer kubussen.


Mei 2010 19

2.3.2 Kubisch ruimtelijk gecenterd rooster In Figuur 2.9 is dit rooster weergegeven. De kleinste eenheid bestaat uit een kubus met op ieder hoekpunt een atoom èn een atoom in het centrum van de kubus. Ook hier zijn holten, maar in tegenstelling tot die in het KVG–rooster, zijn de belangrijkste hier veel kleiner. De atomen raken elkaar volgens een lijn, die de lichaamsdiagonaal vormt.

De afkorting van de naam is KRG (in het Engels: BCC = Body Centered Cubic). Voorbeelden: Cr, α–Fe, Mo, W.

Figuur 2.9 Het kubisch ruimtelijk gecenterde rooster op diverse wijzen weergegeven. Dit rooster heeft 2 atomen per eenheidscel

2.3.1 Hexagonaal dichtst gepakte rooster Dit rooster is getekend in

. Het bodem- en topvlak bestaat uit een rangschikking van 6 atomen rond een centraal atoom. In een vlak ertussen bevinden zich nog 3 atomen.

De afkorting van de naam is HDP (in het Engels HCP = Hexagonal Close-Packed).

Voorbeelden Cd, Co, Ti, Zn en Mg.

Figuur 2.10 De hexagonale dichtste bolstapeling op diverse wijzen weergegeven


20 Mei 2010

2.4 Elastische en plastische vervorming Als we een metalen staaf enigszins buigen, zal hij weer in zijn oude vorm terug komen bij opheffing van de kracht. De staaf was elastisch vervormd. Wordt bij het buigen een grotere kracht gebruikt, dan zal na het opheffen van de kracht de staaf vervormd blijven. De staaf is nu plastisch vervormd.

Op atomaire schaal is dit in Figuur 2.11 geschetst. In deze figuur zijn twee rijen atomen boven elkaar getekend. Ten gevolge van de aantrekkingskracht tussen de atomen bevinden ze zich zo dicht mogelijk bij elkaar. Met als gevolg, dat de bovenste rij zich bevindt boven de holten van de onderste rij. Wanneer er een kracht F werkt, moeten de bolletjes van de bovenste rij zich over de bolletjes van de onderste zij heen bewegen, om weer in de holtes van de onderste rij te komen.

niet vervormde lagen tijdelijke vervorming

(elastisch) blijvende vervorming (plastisch)

Figuur 2.11 Schematische voorstelling van elastische en plastische vervorming.

Als bij deze handeling de kracht weggenomen wordt voordat de bovenste laag het hoogste punt bereikt heeft, dan springen ze terug. Dit is het principe van elastische vervorming. Is de kracht zó groot geworden, dat de bovenste rij boven de holtes een plaats verder is gekomen, dan zal bij wegnemen van de kracht een andere vorm ontstaan zijn. Hiermee is het principe van plastische vervorming gegeven.

Wanneer de atomen in de rijen niet tegen elkaar aan liggen, zullen de atomen van de bovenste rij dieper tussen die van de onderste rij komen te liggen, dan in de figuur is getekend. Het zal dan moeilijker zijn om van plaats te verschuiven. De plastische vervorming zal dan minder gemakkelijk gaan.

Het hier gegeven model met twee rijen atomen kan uitgebreid worden tot alle vlakken van atomen. Uit dit model blijkt dus, dat het langs elkaar glijden van atomen het gemakkelijkst gaat langs dichtst gepakte vlakken, in dichtstgepakte richtingen.

figuur 2.12 Glijrichtingen in een dichtste bolstapeling.


Mei 2010 21

Voor de verschillende roosters komt dit neer op het volgende:

• KVG vier dichtstgepakte diagonaalvlakken met drie richtingen per vlak; er zijn dus 12 glijsystemen

• HCP één dichtstgepakt vlak, met drie richtingen per vlak: 3 glijsystemen.

• KRG er zijn geen dichtstgepakte vlakken, maar er zijn wel zes gelijkwaardige vlakken met een tamelijk hoge pakkingsdichtheid. Door deze vlakken gaan twee dichtstgepakte richtingen (de lichaamsdiagonaal), zodat er ook voor dit rooster 12 glijsystemen zijn.

Men kan dus zeggen, dat metalen met KVG rooster goed koudvervormbaar zijn, die met KRG rooster iets minder goed en metalen met een HDP rooster relatief slecht vervormbaar zijn. (Dit geldt voor polykristallijne metalen. De vervorming van monokristallijne materialen in de richting van de dichtste pakking gaat altijd goed).

2.5 Transformaties in de vaste stof

Metalen stollen vanuit de vloeistof (bij een zekere druk) volgens een voor dat metaal specifiek rooster. Het is wel mogelijk dat bij andere temperaturen en drukken andere kristalroosters kunnen ontstaan. Het verschijnsel dat een element meerdere kristalroosters (modificaties) kan hebben wordt allotropie1

metaal

genoemd. Indien deze structuurverandering reversibel is, dat wil zeggen boven een bepaalde temperatuur bestaat de ene structuur en onder die temperatuur de andere, dan noemt men het verschijnsel enantiotropie. De betreffende temperatuur noemt men overgangstemperatuur. Het komt onder andere voor bij ijzer, mangaan en titaan. Indien de verandering irreversibel is, wordt het verschijnsel monotropie genoemd. In Tabel 2.4 zijn enkele metalen die allotropie vertonen weergegeven. Hierin neemt de allotropie van ijzer een belangrijke plaats in: het is de basis van het harden van staal.

structuren (hoge lage temp.)

Fe Mn Ca en Th Sr Ti, Zr en Hf Co

KRG KVG KRG KRG KVG Complex KRG KVG KRG HDP KVG KRG HDP KVG HDP

Tabel 2.4 Metalen die allotropie vertonen.

1 De meer algemene benaming is polymorfie. Deze naam is van toepassing voor verbindingen.


22 Mei 2010

Voorbeeld: Het kristalrooster van zuiver ijzer IJzer vertoont, afhankelijk van de temperatuur twee verschillende roostertypen:

Beneden 912 °C: Het rooster van ijzer is kubisch ruimtelijk gecentreerd; men spreekt in dit geval van alfa (α -) ijzer.

Van 912 - 1394 °C: In dit temperatuurgebied heeft ijzer een kubisch vlakkengecentreerd rooster; nu spreekt men van gamma (γ -) ijzer.

Van 1394 °C- smelttemperatuur (1538 °C) IJzer heeft nu weer een kubisch ruimtegecentreerd rooster; men spreekt nu echter van delta (δ -) ijzer. Men kan dit rooster volledig zien als een voortzetting van de structuur bij kamertemperatuur.

Belangrijk:

Indien een metaal overgaat van een dichtste bolstapeling naar een niet-dichtste stapeling of omgekeerd (dus bijvoorbeeld van KVG KRG) vindt er altijd een volumeverandering plaats.

In de vorige paragraaf zijn de oktaëdrische en tetraëdrische holtes ter sprake gekomen. De afmetingen van deze holtes in een KVG rooster of in een KRG rooster zijn verschillend. De consequentie hiervan kan zijn dat een atoom wel in de holtes van het ene rooster past maar niet in de holtes van het andere, zoals blijkt uit het volgende voorbeeld.

Voorbeeld In de grootste holte in het rooster van KVG-ijzer past, met een beetje moeite net een

koolstofatoom. Indien het materiaal dan afgekoeld wordt en overgaat naar een KRG rooster past de C er niet meer in. Hoewel het rooster minder dicht gepakt is en er dus meer ruimte tussen de atomen is, is de grootte van de holtes kleiner. Dit kan met ruimtelijke meetkunde gemakkelijk worden aangetoond. De koolstofatomen worden bij langzame afkoeling uit de holtes gedreven (en vormen dan een andere structuur). Bij snelle afkoeling worden de C-atomen toch in de holtes gevangen, het rooster zal daardoor erg vervormen, waardoor het staal harder wordt.

2.6 Structuur van metalen

De zichtbare opbouw van een stof wordt structuur genoemd. Die structuur is vaak met het blote oog of loep zichtbaar, zoals de vezels in hout, of de kristallen in gegloeid aluminium. We spreken dan van macrostructuur.

Indien grotere vergrotingen nodig zijn om de structuur te onderscheiden wordt van microstructuur gesproken.

Bij metalen omvat de structuur de soort, de vorm en de grootte van de korrel. Meestal bevatten metalen (en legeringen) ook niet-metallische bestanddelen, zoals slakinsluitingen. In vele legeringen bestaat de structuur uit verschillende soorten korrels (verschillende structuurbestanddelen)


Mei 2010 23

Dat een metaal ook uit kristallen bestaat is niet zo algemeen bekend, omdat we bij metalen meestal te maken hebben met zon grote hoeveelheid heel kleine kristalletjes dat naar buiten toe niet van het kristallijne karakter merkbaar is. Door een kunstgreep is dat echter wel gemakkelijk zichtbaar te maken, bijvoorbeeld door tijden het stollen van een metaal plotseling de nog vloeibare massa te laten weglopen. Duidelijk zien men dan de platte vlakjes, die zo karakteristiek zijn voor kristallen. De min of meer boomvormige kristallen die vaak ontstaan noemt men dendrieten. Zie Figuur 2.13. In deze figuur is de wijze waarop de kristallen groeien schematisch weergegeven. In bepaalde richtingen is de groeisnelheid veel groter dan in andere richtingen, waardoor deze karakteristieke vorm ontstaat

a b

Figuur 2.13 a) Dendrieten aan het oppervlak van een metaal; b) Schematische groei van dendrieten

In het inwendige van het metaal is de structuur zichtbaar te maken door een "preparaat" met een speciale metaalmicroscoop te bekijken. Het preparaat, een stukje uitgezaagd metaal, wordt daarvoor eerst geschuurd, gepolijst en geëtst. Door de etsing (meestal een chemische aantasting) zullen bepaalde structuurbestanddelen, zoals korrelgrenzen, gemakkelijker aangetast worden dan andere en het opvallend licht anders verstrooien.

a b

Figuur 2.14 a) Karakteristieke gietstructuur van een matig snel gekoelde Al-Ni legering. b) Typische gloeistructuur van een Cu-Zn legering (messing).


24 Mei 2010

In Figuur 2.14 is een voorbeeld gegeven van een op deze wijze zichtbaar gemaakte dendritische structuur.

De dendritische structuur is een typische gietstructuur. Een geheel andere structuur treft men aan in warm plastisch gedeformeerd (gewalst, gesmeed) en eventueel gegloeid metaal.. Ook hierin kan op dezelfde wijze de structuur zichtbaar gemaakt worden.

In de Figuur 2.15 zijn de microstructuren van een KVG en een KRG structuur van zuivere (gegloeide) metalen weergegeven. Deze foto's zijn karakteristiek voor dergelijke structuren. In andere hoofdstukken worden structuren van legeringen getoond.

Voor een juiste beoordeling van de structuur is een opgave van het etsmiddel en de vergroting noodzakelijk.

a b

Figuur 2.15 a) Karakteristieke structuur van een gegloeide KVG structuur (vaak “austeniet” genoemd) b) Karakteristieke structuur van een gegloeide KRG structuur (“ferrietstructuur”) In beide gevallen is de vergroting 200×; De etsmiddelen zijn verschillend.

Lang niet altijd zijn metaalstructuren, of onderdelen ervan, goed te zien met een lichtmicroscoop, omdat de vergroting te klein is (de maximale vergroting is ca. 2000 ×). Men neemt dan vaak z'n toevlucht tot elektronen-microscopie.

Daarbij is onderscheid te maken tussen:

transmissie elektronen microscopie (TEM). Een elektronenbundel gaat door een (folie)preparaat, waarbij een afbeelding ontstaat als gevolg van de verschillen in verstrooiing of afbuiging van de elektronenbundel. Er zijn vergrotingen tot 1.000.000 × te bereiken.

scanning elektronen microscopie (SEM). Hierbij wordt het oppervlakte van een preparaat met een elektronenbundel gescand. De terugkaatsende bundel wordt verzameld en op een kathodebuis afgebeeld. De afbeelding is die van het oppervlak, bijvoorbeeld van een breukvlak Het oppervlakte mag niet gepolijst en geëtst worden. Vergrotingen van 10 × tot 50.000 × zijn mogelijk, waarbij ook nog een zeer grote scherptediepte kan worden gehaald.


Mei 2010 25

2.6.1 Korrelgrootte Zoals vermeld kan door microscopie ook de korrelgrootte worden vastgelegd. De korrelgrootte is een belangrijke parameter bij de karakterisering van de eigenschappen: een fijnkorrelig materiaal heeft een hogere rekgrens en een hogere taaiheid dan een grofkorrelig materiaal.

De meest bekende methode ter bepaling van de korrelgrootte is de bepaling volgens ASTM (American Society for Testing and Materials).

De korrelgrootte volgens ASTM wordt uitgedrukt in een getal Z, dat loopt van -3 tot +12 (aanvankelijk 1-8). Bij een vergroting van 100 × wordt het aantal korrels per vierkante inch bepaald. Stel dit aantal op N. De relatie tussen Z en N is dan:

N Z= −2 1 of uitgedrukt per mm2::

N Z= × −16 2 1.

Voorbeeld: Bij ASTM korrelgrootte van 10 is het aantal korrels per inch2, bij een vergroting van

100× gelijk aan 512, hetgeen overeenkomt met een (gemiddeld) korreloppervlak van ca. 125 µm 2.

ASTM no korrels/in2

bij 100 × korrels/mm2 korrels/mm3 gemiddelde korrel-

diameter in mm

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0,06 0,12 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

1 2 4 8

16 32 64

128 256 512

1024 2048 4096 8200

16400 32800

0,7 2 5,6 16 45 128 630 1020 2900 8200 23000 65000 185000 520000 1500000 4200000

1,00 0,75 0,50 0,35 0,25 0,18 0,125 0,091 0,062 0,044 0,032 0,022 0,016 0,011 0,008 0,006

Tabel 2.5 Vergelijking tussen de ASTM no. en korreldiambeter (afgerond).


26 Mei 2010

2.6.2 Monokristallijne metalen Monokristallijn materiaal is materiaal dat uit ϑϑn kristal bestaat. In dat geval zijn allerlei eigenschappen in verschillende richtingen verschillend. Denk maar aan de vervormingsmogelijkheden voor de diverse roosters. Meestal noemt men zo'n materiaal een éénkristal. Ze komen in de natuur voor, maar kunnen ook kunstmatig worden gemaakt. Als technische constructiematerialen zijn éénkristallen niet geschikt. Bij het bestuderen van de eigenschappen van metalen is het dikwijls van belang te kunnen beschikken over éénkristallen. Er zijn verschillende methoden om dergelijke kristallen te maken. Eén methode is om een klein kristalletje (het entkristal) in een bad van hetzelfde metaal, dat even boven het smeltpunt wordt gehouden, te dippen en daarna langzaam op te halen (Figuur 2.16). De snelheid moet zó worden gekozen, dat op elk moment de via het reeds gegroeide kristal afgevoerde warmte voldoende groot is om zoveel van het aangehechte metaal te doen stollen, dat de samenhang tussen bad en kristal blijft bestaan. Terwille van de regelmatige groei is het vaak nodig de kroes langzaam om een verticale as te laten draaien. Op deze wijze ontstaat een éénkristal waarvan de oriëntatie (stand van de kristalassen) gelijk is aan die van het entkristal.

2.6.3 Polykristallijne metalen Bij een normaal stollend technisch metaal ontstaan zeer veel kleine kristallen (korrels), zodat een polykristallijn materiaal gevormd wordt. Indien de oriëntatie van iedere korrel willekeurig is zullen de eigenschappen van het totaal in alle richtingen gelijk zijn.

Figuur 2.16 Een opstelling om met behulp van een entkristal een éénkristal te maken.

Isolatie

Verwarmingselement

Gestold metaal

Vloeibaar metaal


Mei 2010 27

2.6.4 Anisotropie en isotropie Een aantal fysische en mechanische eigenschappen zijn afhankelijk van de kristallografische richting in het kristal. Zo is de vervorming in een dichtstgepakte richting gemakkelijker dan in een minder dicht gepakte richting.

Voorbeeld Een ander voorbeeld is richting-afhankelijkheid van de elasticiteitsmodulus. In de richting van de lichaamsdiagonaal is de waarde 290.000 MPa, in de richting van de kubusribbe slechts 135.000 MPa; de gemiddelde waarde van de E-modulus is voor staal 210.000 MPa.

anisotropie: de eigenschappen zijn richtingafhankelijk

isotropie: de eigenschappen zijn niet richtingafhankelijk (dus: eigenschappen in alle richtingen gelijk.)

Een voorbeeld van anisotroop gedrag is hout, waarvan de sterke en het wateropnemend vermogen in de vezelrichting geheel anders is dan loodrecht daarop. Een ander voorbeeld van anisotropie vindt men in éénkristallen.

Isotroop gedrag vertonen bijvoorbeeld glas en teer (amorfe materialen).

Technische metalen en legeringen bestaan uit zeer veel, willekeurig georiënteerde kleine kristallen (korrels dus). Hoewel ieder korreltje op zichzelf anisotroop is, gedraagt het geheel zich isotroop, omdat iedere richting evenveel voorkomt. Zo'n materiaal noemt men quasi-isotroop.

quasi-isotroop: isotroop gedrag van materiaal, opgebouwd uit anisotrope korrels.

In polykristallijn materiaal kan ook anisotropie ontstaan, doordat de kristallen in één richting gegroeid zijn, of in één richting vervormd zijn. Dit heet textuur.

textuur: anisotroop gedrag van polykristallijn materiaal door gelijkgerichtheid van kristallen.

Textuur kan al ontstaan bij het stollen, doordat de groeisnelheid langs de verschillende kristalassen verschillend is. De groeisnelheid is het grootst loodrecht op de vormwanden, omdat dat de richting is waarlangs de warmte wordt afgevoerd. In de richting waarin de groeisnelheid het grootst is zullen de kristallen dan ook het langst zijn. In Figuur 2.17 is een voorbeeld van giettextuur weergegeven. Dit product zal gemakkelijker scheuren langs de kristallen, dan dwars over de kristallen. Ook in lassen komt zo’n stollingstextuur bijna altijd voor (Figuur 2.18)

Een andere vorm is walstextuur. Tijdens het koudwalsen worden de kristallen sterk vervormd in de walsrichting en vervolgens wordt rekristalliserend gegloeid (zie hoofdstuk 3). Na de rekristallisatie behoeven de kristallen weliswaar op zich niet langgerekt te zijn, maar alle kristallen zijn min of meer in dezelfde richting georiënteerd. Hierdoor zijn de eigenschappen in de walsrichting anders dan loodrecht daarop. Bij het vervormen van plaat kunnen daardoor onregelmatigheden ontstaan, zoals “oorvorming”, bij dieptrekken van bekervormige producten (zie Figuur 2.19)


28 Mei 2010

Een ander voorbeeld is de vezelstructuur in een gesmeed product (Figuur 2.20). Bij vezelstructuren moet echter in de gaten gehouden worden, dat ze niet alleen veroorzaakt worden door textuur van de metaalkristallen, maar ook door zogenaamde slakkenbanen. Deze ontstaan, als er tijdens de bereiding van het metaal uit erts niet metallische insluitsels ingesloten worden, die tijdens het walsen tot lang gerekte banen worden.

Textuur in metalen is dus een zeer algemeen verschijnsel.

LET OP: Als we het over structuur hebben dan bedoelen we deze vorm en niet de kristalstructuur!

Figuur 2.17 Giettextuur in een gegoten blokje van aluminium.

Figuur 2.18 Giettextuur in een lasdoorsnede

Figuur 2.19 Walstextuur leidt tot “oorvorming” bij dieptrekken van plaat

Figuur 2.20 Vezelstructuur in een gesmeed product


Mei 2010 29

2.7 Fouten in het kristalrooster

In kristallijne materialen is de ordening op atomaire schaal niet perfect, ook niet in éénkristallen. Een kristalrooster bevat een grote hoeveelheid diverse soorten onregelmatigheden, ofwel roosterfouten.. Deze fouten worden verdeeld in:

• puntfouten

• lijnfouten

• vlakfouten

• volumefouten

2.7.1 Puntfouten Puntfouten (nul dimensionaal) kunnen zijn:

• substitutionele atomen,

• interstitiële atomen

• vacatures.

Substitutionele atomen zijn vreemde atomen op een roosterplaats. In metalen zijn dit atomen van andere elementen. Doordat de vreemde atomen kleiner of groter zijn dan de atomen van het rooster, veroorzaken ze spanningen in het rooster waardoor dit harder en sterker wordt. Mengsels van metalen noemt men legeringen. Door te legeren ontstaan dus materialen met een hogere sterkte en hardheid dan zuivere metalen.

Voorbeeld: Een voorbeeld is goud. Oude gouden voorwerpen zijn gemakkelijker te buigen dan de moderne. Het oude goud is zuiverder, wat ook aan de kleur te zien is. Het moderne goud is gelegeerd met één of meer van de elementen Ag, Cu, Ni.

Figuur 2.21 Schematische weergave van puntfouten in een rooster.


30 Mei 2010

Interstitiële atomen zijn atomen die zich in de holtes, tussen de roosterplaatsen, bevinden.

Soms zijn het atomen van de eigen soort (zogenaamde "self-interstitials"), doch meestal gaat het om vreemde atomen (verontreinigingen of legeringselementen), die veel kleiner zijn dan de roosteratomen.

Ook door interstitiële atomen kan een grote toename van de roosterspanning optreden, vooral als de holte kleiner is dan de interstitie.

In Fe (ijzer) zijn het de elementen H, Be, C, O, en N die interstitiëel kunnen oplossen.

Vacatures zijn onbezette roosterplaatsen. Deze lege roosterplaatsen worden tijdens de stolling gevormd, maar zijn ook het gevolg van atoomvibraties. In een rooster zijn zeer veel vacatures aanwezig; het aantal neemt toe met toenemende temperatuur.

Vacatures spelen een belangrijke rol bij diffusie. Diffusie is transport van atomen in een vaste stof, vloeistof of gas, waardoor concentratieverschillen worden opgeheven. In het vaste-stof-rooster kunnen de substitutionele atomen zich alleen maar verplaatsen via die vacatures. Diffusie van interstitiële atomen vindt niet plaats via vacatures; dit gaat dan ook veel gemakkelijker.

Om van de ene roosterplaats naar een andere te gaan, moet een energiebarrière overwonnen worden. Bij substitutionele atomen is deze barrière meestal lager dan bij interstitiële atomen. De energiebarrière wordt lager bij hogere temperatuur.

Figuur 2.22 Schematische weergave van diffusie via vacatures en van interstitiële atomen..


Mei 2010 31

2.7.2 Lijnfouten of dislocaties Een dislocatie is een lijnvormige (lineaire of ééndimensionale) fout in de regelmatige stapeling van de atomen in het rooster. Er bestaan twee typen dislocaties: randdislocaties en schroefdislocaties. De meeste dislocaties die in een rooster voorkomen zijn overigens een combinatie van beide soorten. Dit zijn dan gemengde dislocaties.

Randdislocatie

Een voorbeeld van een randdislocatie is weergegeven in Figuur 2.23. In dit eenvoudige kubische rooster is een extra half vlak atomen aanwezig in de bovenste deel van het rooster. Of anders bezien: in de onderste helft ontbreekt een halfvlak.

Langs de onderste lijn (de dislocatielijn) van het extra halfvlak bevindt zich een lijnvormige fout: de randdislocatie, meestal aangegeven met het teken “⊥”. Een randdislocatie waarbij het extra halfvlak andersom zit wordt dan aangeduid met “⊥”.

Rondom de dislocatie is een spanningsveld aanwezig: er heerst een drukspanning aan de kant van het extra halfvlak; juist onder de ⊥ is een trekspanning aanwezig.

randdislocatie schroefdislocatie gemengde dislocatie Figuur 2.23 Verschillende vormen van dislocaties. (→ b = Burgersvector, een maat voor de grootte en richting van de fout)

schroefdislocatie De schroefdislocatie kan gezien worden als een spiraalvormige stapeling rond een “dislocatielijn” (Figuur 2.23).

gemengde dislocatie

In Figuur 2.23 is een gemengde dislocatie schematisch weergegeven. Voor de betekenis van b (de Burgersvector), wordt naar de literatuur verwezen.


32 Mei 2010

In een goed uitgegloeid kristal treft men per cm3 ongeveer 106 -108 cm dislocatielijn aan. door deformatie kan dit aantal toenemen tot 1012 cm/cm3. Dislocaties zijn zichtbaar te maken door middel van TEM. In het beeld zijn dan een groot aantal warrige lijntjes zichtbaar; dit stellen gemengde dislocaties voor.

Dislocaties hebben een grote betekenis bij de mogelijkheid om een metaal te vervormen. Hierop wordt in hoofdstuk 3 nader ingegaan.

Figuur 2.24 Gebieden met druk- (zwart) en trekspanning (licht) in de omgeving van een dislocatie.

2.7.3 Vlakfouten Vlakfouten zijn tweedimensionale grenzen, die gebieden van elkaar scheiden met een verschillende structuur en/of oriëntatie. Er zijn dus verschillende vlakfouten te onderscheiden:

• materiaal oppervlakken

De atomen aan het materiaaloppervlak bevinden zich in een andere positie (spanningstoestand) dan die er een eindje onder zitten.

• korrelgrenzen

De bekendste "fouten" zijn de korrelgrenzen. Aan beide zijden is een verschillende kristallografische oriëntatie waar te nemen. Indien het oriëntatieverschil klein is dan wordt gesproken over een "kleine hoek korrelgrens". In de korrelgrens heerst grote “wanorde”, waar zich gemakkelijker dan in het rooster allerlei vreemde atomen kunnen ophouden. Diffusie via korrelgrenzen gaat gemakkelijker dan diffusie door de korrel.

In de korrelgrens zit veel energie opgeslagen.

De totale grensvlakenergie is in een grofkorrelig materiaal lager dan in een fijnkorrelig; door (langdurig) gloeien (bij hoge temperatuur) treedt dus korrelgroei op om deze totale energie te verlagen. Ondanks de wanorde in de korrelgrens is de cohesie tussen de atomen in en via deze grenzen nog erg groot; de aanwezigheid van veel korrelgrens maakt het materiaal sterker en taaier.


Mei 2010 33

• tweelinggrenzen

Een tweelinggrens is ook een soort korrelgrens: de atomen aan de ene zijde van de grens zijn gespiegeld tegenover de atomen van de andere zijde. Een tweelingvlak wordt daarom ook wel spiegelvlak genoemd. In een KRG- en HDP- rooster vindt tweelingvorming plaats door deformatie; in een KVG-rooster ontstaan ze door gloeien. Een microstructuur met gloeitweelingen is zeer karakteristiek (Figuur 2.15): de tweeling, die anders wordt aangeëtst dan de rest van de korrel, wordt begrensd door evenwijdige tweelingvlakken.

• andere vlakfouten

Stapelfouten. Dit zijn fouten in de stapelvolgorde van de atoomvlakken in een KVG rooster. Het kan gezien worden als toevoeging van een extra (verkeerd) vlak, of als weglating van een vlak. Bijvoorbeeld: in plaats van de stapeling: ABCABCABC wordt het: ABCA CABC. Dit is geen spiegeling.

Fasegrenzen. Dit is de grens tussen twee verschillende soorten kristallen of fasen.

Domeingrenzen. Dit zijn grenzen tussen gebieden in een korrel met verschillende richtingen van de magnetisatie. Het komt voor in ferromagnetische materialen.

2.7.4 Ruimtelijke fouten Onder ruimtelijke fouten (volumefouten) verstaat men grote driedimensionale fouten, zoals poriën, scheuren, vreemde insluitsels en andere fases die gedurende de fabricage in het materiaal terecht zijn gekomen. Sommige van deze fouten hebben een grote invloed op de eigenschappen. Ze zullen in andere hoofdstukken apart ter sprake komen.


34 Mei 2010

Hogeschool Utrecht Deformatie en rekristallisatie

Mei 2010 35

3. Deformatie, herstel en rekristallisatie

3.1 Plastische vervorming In het vorige hoofdstuk is elastische en plastische ter sprake gekomen.. Hier zal nader worden ingegaan op het mechanisme van de plastische vervorming.

Theoretische berekeningen van de afschuifsterkte aan een perfect éénkristal leiden tot waarden die veel groter zijn dan die in de praktijk worden gemeten. Deze discrepantie leidde al vroeg tot de "ontdekking" van de dislocaties, die men overigens pas in de jaren 50 heeft kunnen waarnemen met behulp van elektronenmicroscopie (TEM.)

Plastische deformatie is het gevolg van de beweging van een groot aantal dislocaties. Als voorbeeld wordt de beweging van een randdislocatie bekeken.

Figuur 3.1 Verschruiving van een randdislocatie onder invloed van een schuifspanning

Een randdislocatie beweegt als gevolg van een schuifspanning, loodrecht op de dislocatielijn. Figuur 3.1a ligt een dislocatie aan het eind van vlak A in een glijvlak (slipvlak). Wanneer er een schuifspanning wordt aangebracht, gaat de dislocatie in dit slipvlak bewegen van het eind van vlak A naar het eind van vlak B, en verder. Anders gezegd: het extra halfvlak A is verplaatst van positie langs het slipvlak (in dit geval naar rechts, Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.c).

De beweging van een dislocatie kan men ook vergelijken met de beweging van een rups. De rups vormt een verhoging met zijn achterlijf. Deze verhoging gaat door het hele dier, tot zijn kop een plaats is verschoven (Figuur 3.2).


36 Mei 2010

Een andere analogie verkrijgt men met het verschuiven van een lange mat: door te trekken aan één zijde heeft men veel kracht nodig; door een golfbeweging te introduceren gaat het veel gemakkelijker.

Figuur 3.2 Overeenkomst tussen de beweging van een rups en een dislocatie.

De dislocatie schuift dus langs het slipvlak op en komt uiteindelijk op een plaats terecht waar hij niet verder kan (bijvoorbeeld bij een korrelgrens). Bij aanhoudende schuifspanningen zullen er steeds weer nieuwe dislocaties ontstaan die in hetzelfde slipvlak bewegen en tot stilstand komen op korte afstand van de vorige. Op deze wijze bouwt zich een dicht netwerk van dislocaties op. Dit leidt tot versteviging.

Opgemerkt moet nog worden dat twee tegengestelde randdislocaties die elkaar in een slipvlak tegenkomen samengaan en elkaar opheffen.

Dus: + = (aantrekking leidt tot opheffing) + = (afstoting leidt tot versteviging)

3.1.1 Slip Slip in een éénkristal

Slip vindt altijd plaats door afschuiving langs een slipvlak in een sliprichting, ook als de aangelegde spanning een zuivere trekspanning is. Er bestaan altijd afschuifcomponenten in alle richtingen, behalve evenwijdig aan of loodrecht op de spanningsrichting

De minimale spanning, die noodzakelijk is om afschuiving te krijgen, ontstaat als de schuifspanning in een vlak onder 45° met de aangelegde spanning een bepaalde kritische waarde overschrijdt. Om deze reden ziet men de breuk van een trekstaaf vaak gedeeltelijk onder een hoek van 45° plaatsvinden.

Slip in polykristallijn materiaal

Vanwege de willekeurige kristallografische oriëntatie van iedere korrel, is de ideale sliprichting voor aan elkaar grenzende korrels verschillend. Indien een spanning in één richting wordt aangebracht zullen de korrels dus ook verschillend gaan vervormen.

Daar de korrelgrenzen nog intact zijn, wordt de vorm van iedere korrel ook bepaald door de deformatie van zijn buren. De afschuifspanning die nodig is voor een deformatie zal hoger


Mei 2010 37

komen te liggen dan in een éénkristal, immers een makkelijk vervormbare korrel (met een slipvlak en sliprichting onder 45° met de spanningsrichting) wordt verhinderd door de vele buurkorrels die niet zo gunstig liggen.

deformatie door tweelingvorming

Als de afschuiving door (slip) moeilijk verloopt, kan deformatie ook leiden tot tweelingvorming, vooral in KRG en HDP roosters. Tweelingvorming is te beschouwen als een soort omklapproces: vergelijk Figuur 3.3a en b.

Na de tweelingvorming kunnen in de tweeling de sliprichtingen weer gunstig liggen waardoor verdere deformatie via slip verloopt.

Figuur 3.3 Schematische voorstelling van deformatie door slip (a) en door tweelingvorming (b).

3.2 Versteviging

Het is belangrijk te begrijpen wat het verband is tussen plastische deformatie en dislocatiebewegingen:

• Het vermogen van een materiaal om plastisch te deformeren hangt af van de mogelijkheid van dislocaties om zich verplaatsen.

• Als de dislocatiebeweging bemoeilijkt wordt, wordt het materiaal harder en sterker (en vaak ook brosser).

• Als er geen dislocatiebeweging meer mogelijk is, zal bij voortgaande belasting scheurvorming optreden.

Hierop berust de verhoging van sterkte van zuivere metalen en legeringen.

Er zijn verschillende manieren om die versteviging te bereiken. Voor zuivere metalen zijn dit:

a) versteviging door korrelverfijning;

b) versteviging door koudvervormen;

Voor niet zuivere metalen en legeringen bovendien door:

c) versteviging door oplosharding;

d) versteviging door aanwezigheid van vreemde deeltjes, zoals precipitaten en dispersies.


38 Mei 2010

3.2.1 Versteviging door korrelverfijning. Een korrelgrens functioneert om twee redenen als een barrière bij de verplaatsing van dislocaties.

Ten eerste: indien de sliprichting in twee naburige korrels maar weinig verschilt kan de dislocatie nog wel doorlopen van de ene korrel naar de andere, maar bij grote oriëntatieverschillen stopt hij.

Ten tweede: Door wanorde in de korrelgrens ontstaan discontinue overgangen in de slipvlakken van de ene korrel naar de andere.

Een fijnkorrelig materiaal is harder, sterker en taaier dan een grofkorrelig materiaal omdat er meer korrelgrenzen zijn, die de dislocatiebeweging belemmeren.

Voor veel materialen (metalen, legeringen) is er een eenvoudig empirisch verband tussen de rekgrens σy en de korrelgrootte d:

Y 0= + k1dσ σ

Hierin zijn σ0 en k constanten.

Deze formule staat bekend als de Hall-Petch relatie.

Figuur 3.4 De beweging van een dislocatie langs een glijvlak kan tot stilstand komen bij een korrelgrens. Pas bij grotere krachten kan hij doorlopen in de andere korrel.


Mei 2010 39

3.2.2 Versteviging door koudvervormen Door plastische deformatie van een taai materiaal neemt het aantal dislocaties toe en daardoor dus ook de sterkte (de taaiheid neemt daarbij af). Meestal gebeurt dat op een zodanige temperatuur dat gesproken wordt van koudvervormen (zie §3.4). In Engelstalige literatuur wordt ook van work hardening gesproken.

De invloed van de versteviging op een trekkromme is weergegeven in Figuur 3.5.

Figuur 3.5 Invloed van versteviging op de trekkromme van gegloeid koper: de rek neemt af en de sterkte neemt sterk toe.

3.2.3 Versteviging door oplosharding Door oplosharding (substitutioneel of interstitiëel geplaatste vreemde atomen) wordt het rooster enigszins verstoord, waardoor de dislocatiebeweging belemmerd wordt. Zeker als de afmeting van het oplossend element veel afwijkt, zal een slipvlak waarin deze atomen liggen geen mooi vlak meer zijn.

3.2.4 Versteviging door de aanwezigheid van vreemde deeltjes Door de aanwezigheid van verontreinigingen, precipitaten of andere obstakels kan de sterkte ook -aanzienlijk- worden verhoogd, vooral als de deeltjes fijn verdeeld in de matrix liggen en een zekere samenhang (coherentie) met het rooster vertonen. In dat geval kost het veel energie om de dislocaties om die obstakels heen te krijgen.

Een andere vorm van versteviging ontstaat door het pinnen van de dislocaties: de dislocatiebeweging wordt bemoeilijkt door de aanwezigheid van vreemde atomen of moleculen in de kleine ruimte bij de dislocatie (zoals te zien is in


40 Mei 2010

3.3 Herstel, rekristallisatie en korrelgroei

Bij de koudvervorming van een metaal wordt arbeid verricht. Het grootste gedeelte hiervan wordt omgezet in warmte; de rest (circa 5-10%) wordt opgeslagen in het kristalrooster in de vorm van roosterfouten, zoals vacatures en dislocaties.

Metalen in zachte toestand bevatten 106 tot 108 cm dislocatielijn per cm3. In sterk vervormde kristallen kan dit oplopen tot 1012 cm/cm3.

Koudvervormde metalen hebben dus een hogere inwendige energie dan zachte, niet vervormde. Dit betekent dat de vervormde toestand niet stabiel is en, als de omstandigheden gunstig zijn, zal overgaan in de oorspronkelijke (zachte) toestand.

De snelheid waarmee de roosterfouten verdwijnen neemt met toenemende temperatuur snel toe. Doordat er verschillende roosterfouten zijn, zal bij temperatuurverhoging het effect van de koudvervorming in stappen verdwijnen.

Deze stappen zijn:

a) herstel en polygonisatie

b) rekristallisatie

c) korrelgroei

3.3.1 Herstel en polygonisatie Bij herstelgloeien kunnen door diffusie van atomen dislocatiebewegingen ontstaan die leiden tot een verlaging van de inwendig opgebouwde spanningen. Er vinden bij herstel 2 processen plaats:

1) Een (heel) klein gedeelte van de dislocatie verdwijnt door aantrekking ( + )

2) Een herrangschikking van de dislocaties op een zodanige manier dat de totale inwendige energie lager wordt. Dit betekent meestal de vorming van kleine hoek korrelgrenzen, binnen een korrel, dat wil zeggen een korrel wordt opgesplitst in een aantal subkorrels die onderling maar weinig in oriëntatie van elkaar verschillen. Dit proces, dat vooral in weinig vervormd metaal plaatsvindt, wordt polygonisatie genoemd. Vooral hierdoor nemen inwendige spanningen af.

Herstel en polygonisatie treden op:

• Na kleine vervormingen, als de energietoename onvoldoende is om rekristallisatie te veroorzaken.

• Na grote vervormingen als de temperatuur niet hoog genoeg is voor rekristallisatie.


Mei 2010 41

Herstelgloeien wordt toegepast om bewerkingsspanningen te verminderen. Deze kunnen ontstaan als gevolg van onder andere verspaning, lassen of koudvervormen.

Herstelgloeien wordt in de praktijk meestal spanningsarm gloeien genoemd.

3.3.2 Rekristallisatie Het is mogelijk een plastisch gedeformeerd metaal door gloeien de regelmatige structuur van het ongestoorde rooster weer terug te geven. Deze warmtebehandeling wordt rekristallisatie genoemd en vereist een hogere gloeitemperatuur dan bij het herstelgloeien gebruikt werd. Rekristallisatie is een kiemvormings- en groeiproces. Er worden dus geheel nieuwe korrels gevormd. De drijvende kracht is de in het kristal opgeslagen inwendige energie in de vorm van dislocaties.

Om rekristallisatie te krijgen, moet aan twee voorwaarden worden voldaan:

1) Er is een minimale deformatie nodig, de zogenaamde kritische deformatiegraad of drempelwaarde. Bij te weinig deformatie is er niet voldoende inwendige energie om het proces op gang te brengen.

2) Er is een minimale gloeitemperatuur nodig om het proces te laten verlopen. Bij een te lage temperatuur kan herstel optreden, waardoor wel de inwendige spanningen worden afgebouwd, maar waarbij geen nieuwe korrels gevormd worden.

Bij deformaties, net boven de drempelwaarde worden slechts weinig kiemen gevormd; dit leidt tot grofkorrelig materiaal. Bij grote deformaties is kiemvorming veel gemakkelijker, waardoor een fijnkorrelig materiaal ontstaat. Het verband tussen de deformatiegraad en de korrelgrootte na rekristallisatie is weergegeven in Figuur 3.6a.

Figuur 3.6 a) Invloed van de deformatiegraad op de korrelgrootte na rekristallisatie; b) Invloed van de deformatiegraad op de minimale rekristallisatietemperatuur.


42 Mei 2010

Uiteraard heeft de temperatuur ook een grote invloed. Bij lage rekristallisatietemperatuur is een hogere drempelwaarde nodig, zie Figuur 3.6b; bovendien neemt de maximale korrelgrootte af. Het verband tussen de deformatiegraad, temperatuur en korrelgrootte wordt vaak 3-dimensionaal weergegeven. In Figuur 3.7 is daarvan een sterk vereenvoudigde principeschets gegeven. In werkelijkheid lopen de lijnen niet zo geleidelijk.

Bij een lage rekristallisatietemperatuur duurt het proces ook langer.

Figuur 3.7 Rekristallisatiediagram van zuiver koper (vereenvoudigde principeschets)

In de praktijk wordt onder de rekristallisatietemperatuur die temperatuur verstaan, waarbij de rekristallisatie in ϑϑn uur is voltooid. Er dient snel (zo snel mogelijk) te worden opgewarmd, daar anders herstel optreedt, en geen rekristallisatie meer mogelijk is.

De rekristallisatietemperatuur van zuivere metalen is afhankelijk van de smelttemperatuur (zie Tabel 3.1). Hierbij geldt globaal dat Trekr. ≈ ⅓ tot ½ × Tsmelt (T in Kelvin). Voor sommige metalen, zoals lood en zink ligt de rekristallisatietemperatuur beneden kamertemperatuur.

Door legeren neemt de rekristallisatietemperatuur meestal sterk toe.

Als voorbeeld is in Figuur 3.8 de structuur getoond van een zwaar gedeformeerde wolframdraad draad (a), die daarna 1 uur gegloeid is op 1200 °C (b). Er heeft slechts gedeeltelijke rekristallisatie plaatsgevonden (dat wil zeggen de rekristallisatie is onderbroken). Na 1 uur gloeien op 1300 °C is de rekristallisatie wel volledig, er heeft zelfs korrelgroei kunnen optreden (Figuur 3.8c)


Mei 2010 43

metaal rekristallisatietemperatuur °C smelttemperatuur °C

lood tin zink aluminium koper messing (40% Zn) ijzer wolfram

-4 -4 10 80 120 475 450 1200

327 232 420 660 1085 900 1538 3410

Tabel 3.1 Rekristallisatietemperatuur van enkele metalen

a b c

Figuur 3.8 a) wolframdraad koud getrokken, sterk vervormde en gerekte kristallen; b) zelfde draad na 1 uur gloeien op 1200 °C : er is een gedeeltelijke rekristallisatie op gang gekomen; c) zelfde draad na 1 uur gloeien op 1300 °C : volledige rekristallisatie.

3.3.3 Korrelgroei Bij een hoge gloeitemperatuur kan een gedeelte van de nieuw gevormde kristallen gaan groeien ten koste van de andere. De drijvende kracht achter dit verschijnsel, bekend onder de naam korrelgroei, is dat de oppervlakte-energie van een groot kristal lager is dan van een aantal kleinere met tezamen evenveel atomen (Figuur 3.9).

Dit leidt dus tot een vergroving van de structuur en is meestal ongewenst (lagere sterkte, lagere taaiheid, zie Hall-Petch relatie)). Het is dus van belang een metaal (legering) nooit langer dan nodig op hoge temperatuur te houden. Ongewenste korrelgroei treedt altijd op in een lasverbinding, waar zeer hoge temperaturen voorkomen (Figuur 3.10).


44 Mei 2010

De kristalgroei na de rekristallisatie is een betrekkelijk regelmatig verlopend proces, dat aanleiding geeft tot de vorming van ongeveer even grote kristallen. Bij langdurig gloeien kan deze groei echter onderbroken worden door een plotselinge snelle groei van bepaalde kristallen ten koste van hun buren, waarbij zeer grote kristallen ontstaan. Dit wordt secundaire rekristallisatie genoemd. Deze treedt vooral op als de groei van bepaalde kristallen wordt vertraagd door een fijn verdeelde fase .

In Figuur 3.12 is de invloed van gloeien na deformatie op het verloop van de mechanische eigenschappen en de korrelgrootte weergegeven.

Figuur 3.9 Schematische voorstelling van korrelgroei

Figuur 3.10 Korrelgroei in een gebied, grenzend het gesmolten lasmetaal (linksboven).

a b

Figuur 3.11 a) Abnormale korrelgroei (secundaire rekristallisatie) in zuiver koper; b) Secundaire korrelgroei in een laaggelegeerd staal.


Mei 2010 45

Figuur 3.12 Eigenschappen als functie van de vervormingstoestand en korrelgrootte.

3.4 Warm- en koudvervorming

Op grond van het voorgaande wordt gedefinieerd:

• warmvervorming is vervorming bij een zodanige temperatuur dat rekristallisatie plaats vindt.

• koudvervorming is vervorming waarbij geen rekristallisatie optreedt.

Zo is vervorming van zuiver lood bij kamertemperatuur al warmvervorming.

Koudvervorming leidt tot versteviging en kan slechts tot een beperkte maat worden uitgevoerd (er kan breuk optreden).

Warmvervormen leidt gedurende de deformatie ook tot versteviging, die echter direct (als de drempelwaarde is overschreden) teniet wordt gedaan door rekristallisatie. Daardoor is verdergaande deformatie mogelijk. Dit proces vindt bijvoorbeeld plaats tijdens warmwalsen van plaat. Aangezien dit een continu verlopend proces is noemt men dit ook wel dynamische rekristallisatie.

Door de sterk gewijzigde dislocatiestructuur in koudvervormde kristallen zullen allerlei materiaaleigenschappen veranderen. In Figuur 3.13 zijn de mechanische eigenschappen van ongelegeerd aluminium als functie van de deformatiegraad weergegeven. Hieruit blijkt een verhoging van de rekgrens en treksterkte en een verlaging van de rek en insnoering.


46 Mei 2010

Figuur 3.13 Versteviging van Al 99,5 door koudvervorming door trekken of walsen.

Versteviging door koudvervorming wordt als volgt gedefinieerd:

Deformatie of verstevigingsgraad eS:

eS S

SSO=−

× 100%

Hierin is S0 de oorspronkelijke doorsnede in mm2, en S de doorsnede na deformatie.

Men onderscheidt de volgende materiaaltoestanden:

zacht, door gloeien in een zo zacht mogelijke toestand gebracht,

¼-hard eS = 10%

½-hard eS =20%

¾-hard eS = 40%

hard eS = 70%

veerhard eS = 150%

Voor vrij zuiver aluminium is de toestand zacht tot hard in figuur 3.13 weergegeven.

Door koudvervormen zal ook de elektrische weerstand toenemen.

In Tabel 3.2 is een vergelijking weergegeven van de belangrijkste kenmerken van warm en koudvervorming.


Mei 2010 47

Eigenschap warmvervorming koudvervorming rekristallisatie versteviging textuur vervormbaarheid .... van kubische structuren .... van hexagonale structuren vervormingsarbeid oppervlaktekwaliteit inwendige spanningen materiaalverliezen werkstukgrootte

wel geen geen* groot goed goed klein matig laag hoog naar beneden begrensd

geen wel wel klein goed slecht groot goed hoog laag naar boven begrensd

* Er is wel een rekristallisatiestructuur, dat wil zeggen er is wel een voorkeursoriëntatie van de nieuw gevormde kristallen. Deze oriëntatie is niet dezelfde als de deformatietextuur.

Tabel 3.2 Vergelijking tussen koud- en warmvervormen

3.5 Beïnvloeding van de mechanische eigenschappen Koudvervormd metaal heeft een hogere sterkte en hardheid en een lagere taaiheid. Door gloeien verandert dit. Op welke wijze dit gebeurt, is in de vorige paragrafen uiteengezet. Ook door legeren kan de sterkte van een metaal verhoogd worden. Vooral als de legeringselementen "niet goed passen" in het metaalrooster zijn kleine hoeveelheden zeer effectief.

Voorbeeld C in ijzer (staal), P en Cu in ijzer en staal. Door legeren zullen echter ook vele andere eigenschappen kunnen veranderen. Hiermee moet goed rekening worden gehouden.

Voorbeeld Door legeren van Al met een beetje Cu kan de sterkte worden opgevoerd, maar de geleidbaarheid en corrosievastheid nemen af. Soms is legeren alleen al voldoende, doch vaak is een speciale warmtebehandeling nodig om een sterkteverhoging te krijgen. Hierop zal in de volgende hoofdstukken worden ingegaan. Combinaties van legeren en koudvervormen leveren de maximale sterkte.


48 Mei 2010

Hogeschool Utrecht – Centrum voor Natuur en Techniek Fasediagrammen

Mei 2010 49

4. Fasediagrammen

4.1 Inleiding Zuivere, of bijna zuivere metalen worden in de praktijk vooral toegepast als er bijzondere eigenschappen nodig zijn, zoals hoge corrosievastheid, goed geleidingsvermogen. Het nadeel is echter dat zuivere metalen vrij zacht zijn. Om de sterkte te verhogen kan men koudvervormen (getrokken koperen buis), of gaan legeren. Vaak doet men ook beide.

Legeren is het toevoegen van elementen aan een metaal om daarmee beoogde eigenschappen te krijgen, We spreken dan over legeringselementen en het basismetaal.

Voorbeelden Toevoeging van Cu aan Al maakt het aluminium sterker en harder; De corrosiebestendigheid neemt echter af. Het gaat daarbij om maximaal 5% Cu Toevoeging van Al aan Cu maakt het koper harder en sterker en beter bestand tegen corrosie in zeewater. Het gaat om ca. 10% Cu.

Naast legeringselementen komen er ook andere elementen in een metaal voor: Onzuiverheden, die tijdens het productieproces niet voldoende konden worden verwijderd. Ze zijn meestal schadelijk. Bijmengsels, al of niet opzettelijk toegevoegd om onzuiverheden te neutraliseren. Overigens kan een element in het ene geval en onzuiverheid zijn, terwijl het in een ander geval ook als legeringselement wordt gebruikt.

Voorbeeld Staal is een legering van ijzer en koolstof. In deze legering komen altijd Mn, Si, P, S, O

en N voor. Van deze elementen zijn Mn en Si onmisbare toevoegingen om O, N en S te binden, (bijmengsels) en P, S, O en N ongewenste restanten (onzuiverheden). Geen van deze elementen wordt als legeringselement beschouwd, tenzij een extra hoeveelheid is toegevoegd om de mechanische of technologische eigenschappen te verbeteren Zo zorgt een geringe hoeveelheid extra S voor betere verspaningseigenschappen. Een extra hoeveelheid Si bevordert de elastische eigenschappen in verenstaal, en zorgt voor bijzondere magnetische eigenschappen. N is in gewoon staal erg schadelijk, maar wordt wel gebruikt om aan het oppervlakte een harde en slijtvaste laag te maken.

De atomen van een legeringselement kunnen substitutioneel of interstitiëel in de kristallen van het metaal oplossen. De spanningen die daardoor in de kristallen ontstaan veroorzaken de verhoging van sterkte en hardheid. In Figuur 4.1 is een voorbeeld weergegeven van de toename hiervan door het substitutioneel opgeloste zink in koper (messing).

Niet alleen de hoeveelheid maar ook het soort element is van invloed. Naarmate er een groter verschil is in afmetingen tussen de atomen van het

Hogeschool Utrecht Fasediagrammen

50 Mei 2010

legeringselement en het basis metaal, is het effect groter. In Figuur 4.2 is voor een éénkristal van koper de procentuele toename in sterkte als functie van de grootte van de vreemde atomen uitgezet. Er is steeds 1% van zo’n element opgelost in het koper.

Uit het voorgaande is het duidelijk dat het van belang is te weten welke samenstelling een legering heeft en bovendien wat de structuur ervan is (zie hoofdstuk 2 en 3) Daartoe kan men fasediagrammen (of toestandsdiagrammen) gebruiken.

In een fasediagram is de structuur (toestand) als functie van de samenstelling en temperatuur (en eventueel druk) van een metaal of metaallegering in de evenwichtstoestand af te lezen

In feite zijn er natuurlijk oneindig veel legeringen. Het bestuderen hiervan is dus een onmogelijke zaak. Veel aandacht wordt besteed aan zogenaamde binaire legeringen, legeringen die bestaan uit 2 elementen. Het bestuderen van het gedrag van 3 elementen, de ternaire legeringen is al veel moeilijker. In dit dictaat beperken we ons tot de binaire legeringen.

Figuur 4.1 Toename van de treksterkte (a) en hardheid (b) met toenemend zink gehalte in een Cu-Zn legering (messing).

Figuur 4.2 De toename in sterkte van koper-éénkristallen ten gevolge van het legeren (oplossen) met 1% van diverse elementen met toenemende afmetingen. (oplossingsharding)


Mei 2010 51

4.2 Definities In de faseleer komen een aantal termen voor, die we hier eerst zullen definiëren:

Systeem

Stelsel Onder een systeem of stelsel verstaat men een hoeveelheid stof die van hun omgeving is afgesloten. Alle reacties en veranderingen kunnen dus alleen betrekking hebben op de daarin aanwezige stof (of stoffen). Een enkelvoudige stof of verbinding, (atomen, moleculen) noemt men een unair stelsel, een legering van 2 stoffen een binair stelsel, een legering van 3 stoffen een ternair stelsel etc.

Fase Een fase is een deel van een homogeen deel van een systeem, zoals bijvoorbeeld de gasfase, of een mengkristal. Bij mengsels hebben we dus altijd te maken met meer dan één fase. Als een legering bij een bepaalde temperatuur uit één kristalsoort bestaat (zoals een legering van Cu en Ni) bij kamertemperatuur noemen we de legering éénfasig. Een zuivere stof heeft 1 gasfase en 1 vloeistoffase, maar kan meer dan 1 vaste stof fases hebben, afhankelijk van de temperatuur.

Voorbeeld: H2O: 1 gasfase, stoom en 1 vloeibare fase: water In de vaste toestand blijken meer kristalstructuren van ijs te bestaan, afhankelijk van druk en temperatuur. Ook ijzer kent bij 1 atmosfeer meerdere kristalstructuren afhankelijk van de temperatuur (zie ook hoofdstukken 2 en 6)

Toestandsdiagram Fasediagram

Een toestandsdiagram of fasediagram geeft aan welke fasen optreden als functie van temperatuur en druk. Homogene delen met dezelfde structuur worden fasen genoemd. Een zuivere stof heeft een gasfase, vloeistoffase en vaste fase. Bij een combinatie van meerdere stoffen kan maar één gasfase zijn, terwijl er meerdere vloeistoffasen naast elkaar kunnen bestaan. Een stelsel dat uit water, olie en kwik bestaat bevat drie vloeistoffasen. Het aantal vaste fasen kan heel groot zijn.

Component Een component is een stof die nodig is om een fase te vormen. Bij metalen zijn het de atoomsoorten die in de kristallen voorkomen. In veel gevallen kan men bepaalde vaste atoomcombinaties (verbindingen, moleculen) als componenten opvatten. In een vat waarin uitsluitend water en waterdamp voorkomen heeft men twee fasen en één component. Water bestaat weliswaar uit waterstof en zuurstof, maar de verbinding H2O vormt de component water.

Evenwicht In dit hoofdstuk wordt veelvuldig over evenwicht geschreven. Hiermee wordt een chemisch evenwicht bedoeld. Een systeem is in evenwicht als het aantal aanwezige fases en de samenstelling en hoeveelheid van elk der fasen op de lange duur niet veranderen. Soms is de verandering zo langzaam, dat ze verwaarloosd kan worden; we spreken dan van een metastabiel evenwicht.


52 Mei 2010

Voorbeeld: Een mengsel van 1 kg ijs en 1 kg water is in evenwicht als het mengel na verloop van tijd nog steeds bestaat uit 1 kg is en 1 kg water. Dat kan alleen als de temperatuur constant is. Het wil niet zeggen dat er in die tijd geen atomen van de vaste stof overgegaan zijn in de vloeistof en andersom.

4.3 Faseregel In een stelsel komen een aantal variabelen voor zoals druk, temperatuur en concentratie. Een aantal hiervan kan vrij gekozen worden, terwijl daarmee de andere vast liggen. Het aantal variabelen dat –in een bepaalde toestand– zelf vrij gekozen kan worden, noemt men het aantal vrijheidsgraden.

Voorbeelden: Nemen we water bij een druk van 1 atmosfeer dan is dit van 0 °C tot 100 °C vloeistof. Dat wil zeggen: er is 1 vrijheidsgraad namelijk de temperatuur. De druk en de concentratie (100% water) liggen vast. Nemen we water bij het kookpunt dan ligt ook de temperatuur vast en zijn er geen vrijheidsgraden (want ook de druk ligt vast; deze vrijheidgraad is al gebruikt). Een wiskundige vergelijking met 2 onbekenden kent 1 vrijheidgraad. Als er twee vergelijkingen zijn, met 2 onbekenden, dan zijn er 0 vrijheidsgraden. x + y = 10; Je kunt voor x of y elk willekeurig getal kiezen (1 vrijheidsgraad). Als x gekozen is ligt y vast.

Met de faseregel bepalen we het aantal vrijheidsgraden van een stelsel

De faseregel luidt:

F = c – p + 2

waarin: F = aantal vrijheidsgraden c = aantal componenten p = aantal fasen

Bij de bespreking van de fasediagrammen zullen we faseregel tegenkomen.


Mei 2010 53

4.4 Opwarm en afkoelkrommes Het smelten of stollen van metalen gaat altijd gepaard met de overgang vast–vloeibaar of omgekeerd, waarvoor warmte nodig is of waarbij warmte vrijkomt.

Laten we het afkoelen eens nader bekijken: Dat er warmte vrijkomt kan op een heel eenvoudige manier gemeten worden: bepaal de temperatuur als functie van de tijd bij het afkoelen van een metaal.

De kromme die zó ontstaat noemt men afkoelkromme. (Het gaat daarbij niet om de hoeveelheid warmte). Voorbeeld: Beschouw de afkoelkromme van water (zuivere stof): Als stoom langzaam wordt afgekoeld tot ijs kan een kromme als in Figuur 4.3 is afgebeeld, worden opgetekend. De overgangen stoom → water en water → ijs worden haltepunten genoemd, en aangeduid met de letter A (van arrêt). De temperatuur blijft gedurende enige tijd constant. Bij condenseren en stollen komt nl. warmte vrij, die eerst onttrokken moet worden voordat de temperatuur verder daalt.

Deze vorm van afkoelkromme is karakteristiek voor de afkoeling van een enkelvoudige stof. Als er van de vaste stof meerdere modificaties voorkomen zal elke overgang zo’n haltepunt veroorzaken. Dit is weergegeven in fig 4.3b voor ijzer, dat zoals bekend meerdere kristalstructuren kent.(zie ook §2.6). Bij elke fase-overgang wordt een temperatuureffect waargenomen.

Als de afkoelkromme van een legering wordt bepaald, zal het verloop anders kunnen zijn; het horizontale stuk is zelfs vaak afwezig. Dergelijke krommes worden besproken bij binaire diagrammen.

a afkoelkromme van water b afkoelkromme van ijzer

Figuur 4.3 Afkoelkromme van water en ijzer Het onderste knikje bij de afkoelkromme van ijzer (Ar2) is geen faseovergang, maar een temperatuur-effect waarbij ijzer magnetisch wordt (Curie-punt). Vroeger dacht men wel aan een andere fase (de β fase).


54 Mei 2010

Afhankelijk van de afkoelsnelheid vindt bij metalen meestal2

De kromme is ook in de andere richting te doorlopen. Er ontstaat dan een opwarmkromme. Er moet rekening gehouden moet worden met enige hysteresis, waardoor de haltepunten niet gelijk vallen. Daarom wordt meestal gesproken over AR en AC, zijnde de haltepunten bij afkoelen (refroïdissement) en opwarmen (chauffage).

een onderkoeling plaats. Indien er onderkoeling optreedt, is de vormingssnelheid van de kristallen groter en komt er per tijdseenheid meer warmte vrij zodat de temperatuur zelfs kan stijgen. Het hangt van de grootte van de onderkoeling af of de evenwichtstemperatuur weer bereikt wordt.

In dit dictaat beperken we ons tot afkoelkrommen.

Voorbeeld: Beschouwen we de afkoelkromme van zuiver koper (Figuur 4.4):

Boven 1083 °C bestaat één fase: de vloeistoffase. Zodra de temperatuur is gedaald tot 1083 °C, zullen in de smelt kiemen ontstaan die langzaam uitgroeien tot grotere kristallen; bovendien ontstaan op andere plaatsen in de smelt ook nieuwe kristallen. Deze kristallen hebben vaak een karakteristieke vorm en worden dendrieten genoemd. Dit gaat door tot alle vloeistof gestold is. Dan gaat de temperatuur weer dalen.

a b

Figuur 4.4 a) Afkoelkromme van koper. b) Vier stadia van het stollen van een metaal. Hier vindt een dendritische groei van de kristallen plaats.

2 In feite moet er altijd enige onderkoeling plaats vinden voordat stolling optreedt. Dit zal hier echter

buiten beschouwing blijven.


Mei 2010 55

4.5 Unaire systemen Een unair stelsel is een stelsel van één component; dit kan zijn een element of een verbinding. In dit stelsel zijn er maar twee variabelen in het spel, nl. temperatuur en druk. Het is dus mogelijk om deze twee variabelen langs de assen van een grafiek uit te zetten en een P–T-diagram te maken. In de Figuur 4.5 zijn de P–T-diagrammen voor respectievelijk water en koper gegeven.

In deze diagrammen vindt men de drie fasen terug respectievelijk aangeduid met S = vaste stof (solid), L = vloeistof (liquid) en G = gas. Waar twee fasen in evenwicht met elkaar zijn vindt men een lijn. Op die lijnen zijn steeds twee fasen naast elkaar aanwezig. Er zullen dus minstens drie tweefaselijnen zijn, nl. voor de evenwichten S–L, S–G en L–G. Daar waar de drie lijnen elkaar snijden, het tripelpunt, zijn de drie fasen in evenwicht.

Het evenwicht S-L is het vriespunt en het evenwicht L-G het kookpunt. Als er in de vaste fase meer dan 1 kristalvorm bestaat (allotropie) zijn er ook faselijnen die de overgang van de ene naar de andere vaste fase weergeven.

water koper

Figuur 4.5 Toestandsdiagrammen van water en koper (in dit geval ook vaak P-T diagram genoemd).

Met de faseregel (F = c – p + 2) kunnen de volgende zaken worden afgeleid:

De regel wordt, omdat c = 1: F = 3 - p.

• Voor een éénfasegebied (bijv. L) geldt: F = 3-1 = 2. Dus twee vrijheidsgraden, wat betekent, dat druk en temperatuur onafhankelijk van elkaar gevarieerd kunnen worden en de fase niet verandert.

• Op een evenwichtslijn (bijv. L-G) geldt: F = 3-2 = 1. Dus éen vrijheidsgraad, zodat als de druk gekozen is de temperatuur vast ligt. Kiest men een andere temperatuur dan zal het systeem een ander druk moeten hebben om het evenwicht te behouden.

• Voor het tripelpunt geldt: F = 3-3 = 0. Er is dus geen keuze meer te maken: het systeem legt dat punt voor ons vast.

(lege pagina


56 Mei 2010

4.6 Binaire systemen Binaire stelsels zijn stelsels, die uit twee componenten bestaan. Bij het mengen van de twee componenten in de vloeibare fase kunnen zich verschillende situaties voordoen. Ook in de vaste toestand zijn er verschillende mogelijkheden.

4.6.1 Evenwicht in vloeibare toestand Twee componenten kunnen:

• volledig onoplosbaar in elkaar zijn (bijv. olie met water bij lage temperatuur);

• volledig oplosbaar in elkaar zijn (bijv. alcohol met water);

• gedeeltelijk in elkaar oplosbaar zijn.

Het optreden van chemische reacties, mits alles vloeibaar blijft, doet hieraan niets af.

Omdat in de vloeibare fase de meeste metalen volledig in elkaar oplossen, zullen we alleen op de diagrammen ingaan met volledige oplosbaarheid in de vloeibare fase. In de vloeibare toestand vertonen de diagrammen van dergelijke systemen dus één fase. Daarom worden legeringen meestal gemengd in de vloeibare toestand, dus als smelt.

4.6.2 Evenwicht in de vaste fase In de vaste toestand kunnen de componenten ook geheel of gedeeltelijk in elkaar oplosbaar zijn, anders gezegd de legeringselementen nemen een positie in in het kristalrooster van het basiselement of juist niet. De volgende situaties kunnen zich voordoen:

• De componenten zijn volledig in elkaar oplosbaar (bijvoorbeeld een legering van koper en nikkel). Dit wordt ook wel een vaste oplossing genoemd. De legeringselementen kunnen substitutioneel in het rooster van het basiselement zitten of bij hele kleine atomen interstitiëel (zie §2.8.1) Het kristal, waarin de legeringselementen zijn opgelost noemt men een mengkristal.

• De componenten zijn helemaal niet in elkaar oplosbaar (bijvoorbeeld suiker met meel, of een legering van bismut en cadmium). In dat geval bestaan de kristallen van beide componenten naast elkaar en praten we over een mengsel van kristallen.

• De componenten zijn gedeeltelijk in elkaar oplosbaar. Dit is een combinatie van de twee vorige situaties. Hier hebben we dus te maken met een mengsel van mengkristallen.

• De componenten kunnen ook verbindingen vormen (bijvoorbeeld Na en Cl geeft NaCl; ijzer met koolstof kunnen een carbide vormen). Als het een verbinding tussen twee metalen is, dan noemt men het een intermetallische verbinding (zoals bijvoorbeeld een verbinding tussen ijzer en chroom, FeCr).


Mei 2010 57

In een binair fase- of toestandsdiagram zijn drie variabelen in het spel, namelijk de druk, de temperatuur en de samenstelling, Uitgedrukt in de faseregel van Gibbs betekent dat:

F = n – p + 2 → F = 4 – p

Er zijn dan maximaal 3 vrijheidgraden (bij één fase). Om dit grafisch weer te geven is een driedimensionale voorstelling nodig. Gelukkig spelen normaliter de smelten stolprocessen van metalen zich af bij een druk van 1 atmosfeer, waardoor we genoeg hebben aan een doorsnede van het ruimtelijke diagram bij 1 atmosfeer. Omdat er dus al een vrijheidgraad is gebruikt blijft dus over:

F = 3 – p

Een binair fasediagram wordt nu weergegeven door de temperatuur (verticale as) en de procentuele samenstelling (horizontale as).

De samenstelling wordt meestal weergegeven in gewichtprocenten, maar ook atoomprocenten komen voor. Men kan ze eenvoudig in elkaar omrekenen.

In een goed getekend diagram wordt erbij vermeld of het om gewichts- of atoomprocenten gaat. Staat er niets bij dan betreft het gewichtsprocenten. In de in techniek gebruikte diagrammen komen de vier in § 4.6.3 genoemde mogelijkheden vaak alle voor.

Toepassing van de faseregel van Gibbs

Vanuit de faseregel van Gibbs kan men elk binair diagram als volgt zien:

Er geldt (bij vaste druk, bijv 1 atm) F = 3 –p Er zijn nu 3 mogelijkheden.

1. Er is 1 fase (p=1) dan F=2 Omdat er nu ook twee variabelen zijn (temperatuur en samenstelling van die fase) moet er dus een plaats zijn waarin men beide vrij kan kiezen. Dat geldt hier voor het vloeistofgebied.

2. Er zijn twee fases (bijvoorbeeld L+S, of S1+S2) F=1 Er zijn nu drie variabelen. Namelijk de temperatuur, de samenstelling van fase 1 en van fase 2. Kiest men nu de temperatuur (bijvoorbeeld T), dan liggen die twee samenstellingen vast (bijvoorbeeld de samenstelling van de vloeistof (C1) en de samenstelling van de vaste stof (C2)). Bij een andere temperatuur vindt men meestal andere samenstellingen. Verbindt men de samenstellingen van fase 1 met elkaar, resp. de samenstelling van fase 2 dan worden twee lijnen gevonden waarbinnen twee fases bestaan. Bevindt de samenstelling zich tussen die twee lijnen dan heeft men een hoeveelheid stof van fase 1 waarvan de samenstelling op lijn 1 ligt en een hoeveelheid stof van fase 2 waarvan de samenstelling op lijn 2 ligt.


58 Mei 2010

Die samenstellingen hebben uiteraard dezelfde temperatuur. Zie Figuur 4.6a. De hoeveelheden kan men uitrekenen met de hefboomregel (zie §4.7.3).

3. Er zijn drie fases: P=3 F=0 Er zijn 4 variabelen (T, en samenstelling van elk der drie fases) maar geen vrijheidsgraden. Er moet dus 1 temperatuur zijn waarbij die drie samenstellingen bestaan. In een diagram vindt men dat terug als een horizontale lijn waarop drie punten (samenstellingen) liggen. Een punt is hier een ontmoetingspunt van drie lijnen (vergelijk met tripelpunt). Zie Figuur 4.6b.

Meer mogelijkheden zijn er niet.

a 2 fases: 2 bij elkaar horende lijnen

b 3 fases: 3 punten op een lijn

Figuur 4.6 a) Er zijn twee fases (1 en 2) als de gemiddelde samenstelling ligt tussen de twee lijnen. b) Er zijn 3 fases (1, 2 en 3) als de gemiddelde samenstelling ergens op de lijn ligt.

4.7 Volledige onoplosbaarheid in de vaste toestand (type I)

4.7.1 Het diagram Een typisch voorbeeld van een systeem met volledige onoplosbaarheid in de vaste toestand is dat van bismut-cadmium (Bi-Cd). In Figuur 4.7 is het diagram daarvan weergegeven (A= Cd en B = Bi) In het algemeen geldt dat twee componenten in vaste toestand nauwelijks in elkaar oplosbaar zijn als tenminste de atoomdiameter en/of het kristalrooster veel van elkaar verschillen. In dit voorbeeld is de diameter van een Bi atoom ongeveer twee maal die van een Cd atoom, verder is het rooster van Bi rombisch en dat van Cd hexagonaal (zie tabel 2.3).

In het toestandsdiagram is op de horizontale as van links naar rechts het percentage Bi uitgezet en van rechts naar links het percentage Cd. De percentages opgeteld komen uiteraard steeds op 100% uit. Op de verticale as staat de temperatuur.


Mei 2010 59

Diagram A-B A is bijvoorbeeld Cd en B = Bi

Afkoelkrommes van enkele legeringen van het stelsel A-B met de liquidus (stippellijn)

Figuur 4.7 Diagram met volledige onoplosbaarheid in de vaste fase.

Zo’n diagram kan afgeleid worden uit de bijbehorende afkoelkrommes. Zie Figuur 4.7.

Beschouwen we dit diagram A-B. dan zien we helemaal links in het diagram een verticale temperatuurlijn voor 100% A en rechts één voor 100% B. De afkoelkrommes (1 en 8) vertonen een haltepunt omdat het hier om zuivere stoffen gaat (het stolpunt, zie §4.4). Er ontstaan kristallen van zuiver A respectievelijk B.

Als B toegevoegd wordt aan zuiver A, treedt er vriespuntsdaling op. De stolling begint bij een lagere temperatuur en verloopt niet bij een temperatuur zoals bij een vaste stof, maar vindt plaats over een temperatuurtraject. Tijdens de stolling worden A-kristallen gevormd, terwijl het B-atomen in de vloeistof achterblijven. De vloeistof wordt gaat dus steeds meer B bevatten, waarvan de stolling bij lagere temperatuur plaatsvindt.

In de afkoelkromme vindt men dus een knik als gevolg van een lagere afkoelsnelheid doordat er warmte vrijkomt. Door begintemperaturen van de stolling met elkaar te verbinden krijgt men een lijn (de liquidus).

Dezelfde redenering kan men houden als we een legering hebben van B met A: nu zal eerst zuiver B stollen en blijft A achter in de vloeistof.


60 Mei 2010

Figuur 4.8 Karakteristieke structuur van een gewoon eutecticum: een laagjesstructuur van afwisselende samenstellingen

De twee lijnen die de beginpunten van de stolling vormen, ontmoeten elkaar in een punt, dat de laagste stoltemperatuur van het systeem is. Deze temperatuur wordt eutectische temperatuur genoemd. De bijbehorende samenstelling heet eutectische samenstelling en het punt in het diagram heet eutecticum. Bij het eutecticum stollen er twee soorten kristallen naast elkaar en tegelijk; in ons wordt A afgewisseld met B. Het is een innig mengsel van kristallen, zoals weergegeven in Figuur 4.8.

Beneden de eutectische temperatuur is er alleen vaste stof, bestaande uit A-kristallen + eutecticum of B-kristallen + eutecticum. Ten gevolge van de vreemde atomen tussen de A atomen zal het moeilijker zijn een A–rooster te vormen, waardoor het geheel onder het stolpunt van A nog volledig vloeibaar is. Kijken we naar een legering van 80% A en 20% B (Figuur 4.7). Op een temperatuur beneden het stolpunt van A (TA) vertoont de afkoelkromme een knik. Hier begint het stollen, er ontstaan een aantal kristallen A. Er vormt zich als het ware een oneindig kort haltepunt, omdat bij het stollen warmte vrij komt. Doordat er A stolt, zal er vloeistof overblijven die rijker is aan B waardoor de volgende kristallen bij weer lagere temperatuur ontstaan enz.. Er wordt een stoltraject gevormd, dat men kan zien als een verzameling van oneindig kleine stolpunten.

De vloeistof wordt tijdens het stollen steeds rijker aan B. De laatst overgebleven vloeistof bestaat uit 60% B en 40% A en stolt bij één temperatuur; de laagste stoltemperatuur van het stelsel, in dit geval TE.

Het diagram Figuur 4.7 vermeldt twee lijnen:

• De liquidus–lijn, de V–vormige lijn waarboven de legeringen geheel vloeibaar lijn.

• De solidus–lijn waaronder de legeringen geheel vast zijn .

Daartussen ligt het stollings– of smeltgebied, waar vloeistof en vaste stof naast elkaar bestaan.

In Figuur 4.9 zijn schematisch de structuren weergegeven voor de legering X bij verschillende temperaturen.


Mei 2010 61

Figuur 4.9 Stollingsverloop van de legering R1 met schematische microstructuur.

Opdracht Bestudeer het diagram en pas de faseregel van Gibbs toe. Laat zien dat in dit diagram alle 3 mogelijkheden aanwezig zijn (1, 2 en drie fases).

In de praktijk wordt een eutecticum een fase genoemd omdat het aparte eigenschappen heeft. Is die benaming juist?

In een eutecticum is er een driefasenevenwicht. Dit evenwicht kan hier als volgt geschreven worden:

L SA + SB,

eutecticum

eutectoïde

Hierin is L de vloeistof en SA, resp. SB de zuivere vaste stof A en B. Er bestaat ook een eutectisch evenwicht waarin drie vaste stoffen voorkomen, zo’n samenstelling noemt men een eutectoïde.

4.7.2 Algemene eigenschappen Legeringen met het type I diagram, zijn gebruikstemperatuur heterogeen en bestaan uit twee structuren, namelijk die van een van de zuivere componenten en die van het eutecticum. Deze hebben verschillende eigenschappen (de ene is bijvoorbeeld harder dan de andere). Dit is van belang voor een aantal technologische eigenschappen:

Aan de koudvervorming wordt alleen deelgenomen door de zachte fase, waardoor er een kans op scheuren is. Het gevolg is dat de koudvervormbaarheid slecht is.


62 Mei 2010

Bij verspanen is het van belang dat er korte spanen ontstaan, hetgeen bij deze legeringen gebeurt omdat de spanen breken op de hardere fase. Dus de verspaanbaarheid is goed.

Voor gieten is het van belang, dat de legering een lage smelttemperatuur heeft, dunvloeibaar is en weinig slinkt. Dit zijn eigenschappen van het eutecticum. Eutectische legeringen zijn dan ook goed gietbaar.

Doordat de structuur een mengsel is van twee soorten kristallen, zijn de meeste fysische en mechanische eigenschappen een gemiddelde van de eigenschappen van de beide fasen.

Figuur 4.10 De hefboomregel. Uit S = F1 = b/(a+b) en L = F2 = a/(a+b) volgt a×F1=b×F2.

4.7.3 De hefboomregel Om de hoeveelheid van elke fase in een tweefasegebied te bepalen, wordt de hefboomregel gebruikt.

Beschouw het tweefasegebied van Figuur 4.10. Stel we hebben een legering met samenstelling Z bij de temperatuur T. Een deel van de legering is dan al gestold. Deze vaste stof heeft de samenstelling X. De rest is nog vloeistof met de samenstelling Y.

De hoeveelheden vaste stof resp. vloeistof volgt nu uit de hefboomregel:

Hoeveelheid vaste stof S = %100XYZY×

−−

Hoeveelheid vloeistof L = %100XYXZ×

−−

In woorden De hoeveelheid vaste stof (S) met samenstelling X is gelijk aan de verhouding tussen de lengte van het niet-aangrenzende lijnstuk ZY en de lengte van het totale lijnstuk XY. De hoeveelheid vloeistof (L =100%-S) met de samenstelling Y is gelijk aan de verhouding van de lijnstukken XZ en XY.

Deze regel wordt hefboomregel genoemd naar analogie met de momentenregel bij een hefboom.


Mei 2010 63

Voorbeeld Stel X = A+10% B, Z = A +50% B en Y = A+ 66% B

Dan is de hoeveelheid vaste stof α (66-50)/(66-10) × 100% = 28,6% De hoeveelheid vloeistof L: (50-10)/(66010) × 100% = 71,4% (samen uiteraard 100%) Controle: Er is 28,6% α Dit bevat 10% B Totaal in α is er dus 2,86% B Er is 71,4% L Dit bevat 66% B Totaal in L is er dus 0,66× 71,4 = 47,14 % B Totaal aan B is er dus 2,86 + 47,14 = 50% Dit klopt dus met het gegeven.

Figuur 4.11 Fasediagram met volledige oplosbaarheid en de relatie met de afkoelkrommes

4.8 Volledige oplosbaarheid in de vaste fase (type II)

4.8.1 Het diagram De eenvoudigste vorm van een diagram van dit type is weergegeven in


64 Mei 2010

Figuur 4.11 (bijvoorbeeld Mo-V, en Cu-Ni) Twee componenten lossen in vaste toestand in elkaar op als ze een gemeenschappelijk rooster vormen, ze moeten daartoe in eenzelfde roostertype kristalliseren en vrijwel dezelfde atoomafmetingen hebben. Dit is bij koper en nikkel het geval: beide zijn KVG, de diameter van een koperatoom is 0,361 nm en van nikkelatoom 0,352 nm.

Dit diagram is eenvoudig uit de afkoelkrommes af te leiden: bij elke samenstelling –behalve bij de zuivere stof– wordt een stollingstraject gevonden. De bovenste faselijn van het diagram (de liquidus) geeft de beginpunten van de stolling aan, de onderste faselijn (de solidus) de eindpunten van de stolling. Tussen de liquidus en de solidus is er dus het tweefasegebied L + α.

Als voorbeeld van het verloop van de stolling kiezen we legering X (Figuur 4.12, A met 50% B )

Figuur 4.12 Stollingsverloop

Boven T1 is alles vloeibaar

Bij T1 begint de stolling in X. Er beginnen zich kristalletjes te vormen met de samenstelling S1. De vloeistof heeft dan nog de samenstelling L1


Mei 2010 65

Bij dalende temperatuur stolt er steeds meer materiaal, dat veel A bevat. De vloeistof wordt dus rijker aan B

Bij T2 is de samenstelling van de vaste stof (in evenwicht) S2, de vloeistof L2

Bij T3 is dat S3 resp. L3

Bij T4 komen we bij de solidus aan en is de samenstelling van de vaste stof α gelijk aan S4 (= (A+50%B), en de samenstelling van het allerlaatste gestolde restje vloeistof L4

Onder T4 is alles vast: de structuur is homogeen en bestaat uit mengkristallen.

Let op Er zijn verschillende manieren waarop in diagrammen aangegeven wordt dat het om

mengkristallen gaat. Zo komen we tegen: (Cu), als het gaat om koper waarin een ander element is opgelost, SA(B) = vaste stof (solid) A met B erin opgelost en Griekse letters (α, β, γ, etc) Ik geef de voorkeur aan Griekse letters.

We constateren dus dat er bij de stolling

• een toenemende hoeveelheid vaste stof komt, waarvan de samenstelling verloopt volgens de lijn S1S2S3S4

• een afnemende hoeveelheid vloeistof is, waarvan de samenstelling loopt volgens de lijn L1L2L3L4

De hoeveelheden vloeistof en vaste stof in het tweefasegebied kunnen met de hefboomregel worden bepaald. Er is geen eutecticum, zoals in het vorige diagramtype.

Opdracht Ga met de faseregel waar 1 en twee vrijheidsgraden voorkomen in dit diagram

Zijn in dit diagram plaatsen met 0 vrijheidsgraden?

4.8.2 Algemene eigenschappen In de homogene structuur nemen de kristallen in gelijke mate deel aan de koudvervorming. De koudvervorming van legeringen met een KVG of KRG rooster is goed tot zeer goed. (zie Hoofdstuk 2)

De verspaanbaarheid is minder goed tot slecht, doordat de spanen niet gebroken worden en het materiaal versmeert. Bekende voorbeelden van slecht verspaanbare materialen zijn koper, messing, aluminium en austenitisch roestvaststaal. Aan sommige legeringen wordt 1-3% Pb toegevoegd om de verspaanbaarheid te verbeteren. De spanen breken dan op de Pb bolletjes die in de structuur ontstaan.

Voorbeeld CuZn36Pb1: dit is messing bestaande uit koper met 36% zink en 1% lood (dit noemt men automatenmessing).

De gietbaarheid is over het algemeen slecht, doordat grote stoltrajecten kristalsegregatie (zie hoofdstuk 4.5) teweeg brengen. Bovendien treedt, door de geleidelijke stolling vaak meer slink op en raken gietkanalen eerder


66 Mei 2010

verstopt. Echter de zuivere metalen, die een stolpunt hebben en de legeringen met een kort stoltraject, zijn wel goed gietbaar.

Voorbeeld IJzer met ca 0,2-0,5% koolstof heeft een kort smeltraject en kan gegoten worden (dan heet het gietstaal).

De fysische en mechanische eigenschappen zijn meestal geen gemiddelde van die van de samenstellende delen, maar worden bepaald door de mate waarin de ene atoomsoort van de andere atoomsoort verstoort.

Voorbeeld Zie

Figuur 4.13. Naarmate er meer Ni aan Cu wordt toegevoegd, zullen de verstoringen in het Cu–rooster groter worden. De hardheid, sterkte, elektrische weerstand nemen dan geleidelijk toe. Op een gegeven moment dalen deze waarden weer tot het niveau van het Ni.

Figuur 4.13

De invloed van volledig in elkaar oplosbare elementen op de eigenschappen van hun legeringen. (Het Cu-Ni stelsel)

Figuur 4.14 Toestandsdiagram voor twee gedeeltelijk in elkaar oplosbare componenten.


Mei 2010 67

4.9 Beperkte oplosbaarheid in de vaste fase

4.9.1 Het diagram Dit type diagram komt veel voor en is te beschouwen als een samenvoeging van beide voorgaande types. Er is enige oplosbaarheid van beide elementen in elkaars rooster, maar niet volledig. Uit Figuur 4.14 blijkt de maximale oplosbaarheid van B in A R% (in dit voorbeeld 20%) en van A in B S% (hier dus 10%). We zullen dit diagram bepreken aan de hand van Figuur 4.15.

Figuur 4.15 Stollingsverloop en structuren (schematisch) van enkele samenstellingen

a legering met 95%A en 5% B

De stolling van deze legering begint bij T1 en eindigt bij T2 (identiek aan type II diagram). Daarna is er een mengkristal α, dat niet meer van samenstelling verandert.. De afkoelkromme is links weergegeven.


68 Mei 2010

b legering van 90% A en 10% B

Tot T4 is het stollingsverloop en de structuur gelijk aan het vorige. Daalt de temperatuur dan wordt de oplosbaarheidslijn RU gepasseerd. Dit betekent dat er uitscheidingen van β optreden met een samenstelling die bij die temperatuur hoort. De uitscheiding vindt plaats langs de korrelgrens en/of in de korrel.

c legering met 70% A en 30% B

De stolling begint bij punt X met de afscheiding van mengkristallen met samenstelling F. Tijdens de afkoeling geeft de soliduslijn FRE de samenstelling van de mengkristallen aan en de liquiduslijn XE de samenstelling van de vloeistof.

Het verschil met de stolling van type I is, dat hier de samenstelling van de vaste stof ook verandert, net als in type II

Als de overgebleven smelt tenslotte de samenstelling E bereikt, bij de temperatuur TE, stolt deze volgens de eutectische reactie:

L → α +β

Bij verdere afkoeling wordt nog β uitgescheiden (uit de α, zoals onder b), maar die zal nauwelijks waarneembaar zijn. Voorbeelden van de structuur zijn weergegeven in Figuur 4.16

Bij kamertemperatuur bestaat de structuur uit

Primair gestolde α

Eutecticum, bestaande uit α en β

d legering met de eutectische samenstelling 35% A en 65% B

Bij de eutectische temperatuur TE stolt de vloeistof in een keer. Er is dus 100% eutecticum bestaande uit α (met A met20% B) en β (B met 10% A). De hoeveelheden kunnen met de hefboomregel eenvoudig worden bepaald:

Hoeveelheid α = ES/RS × 100% = 36% Hoeveelheid β = ER/RS × 100% = 64%.


Mei 2010 69

Al-Cu met primair Al-rijk mengkristal Pb-Sn, met primair Pb-rijk mengkristal

Figuur 4.16 Microstructuur van legeringen met een primaire fase en een eutecticum De witte “eilanden” zijn de primaire fase, de rest is eutecticum.

4.10 Complexere diagrammen De in de techniek veel gebruikte binaire legeringen hebben vaak complexere diagrammen dan die welke hier zijn beschreven. Deze complexiteit wordt veroorzaakt door:

• Aanwezigheid van intermetallische fases en intermetallische verbindingen;

• Aanwezigheid van ontmenging in de vloeibare en/of vaste fase;

• Voorkomen van zogenaamde peritectische reacties.

We zullen hier niet verder op die zaken ingaan, behoudens een korte bespreking van het ijzer-koolstofdiagram. Dit diagram ziet er gelijk al ingewikkelder uit door de aanwezigheid van de stippellijnen en het peritecticum, maar bij een nadere stap- voor stap benadering valt het reuze mee. Dit diagram wordt het meest toegepast en komt ook in hoofdstuk 6 aan de orde.

4.10.1 Het ijzer-koolstof diagram Door ijzer te legeren met koolstof krijgen we staal (tot ca 1,5% C) of gietijzer (tussen 2,5 en 5% C).

Voor staal kan de koolstof op twee manieren aanwezig zijn:

• Interstitiëel opgelost in het ijzerrooster

• Als verbinding met ijzer. Het vormt dan een carbide Fe3C (cementiet genaamd).


70 Mei 2010

Voor gietijzer komt daar nog een derde mogelijkheid bij:

• Als vrije koolstof (grafiet)

In het geval dat koolstof gebonden is aan het ijzer hebben we te maken met het zogenaamde metastabiele diagram. In Figuur 4.17 is dit weergegeven als het diagram met de doorgetrokken lijnen.

Als de koolstof als grafiet is uitgescheiden gebruiken we het stabiele diagram In Figuur 4.17 wordt dit voorgesteld door de streepjeslijnen.

In feite zijn in Figuur 4.17 twee diagrammen door elkaar getekend.

Hier beperken we ons tot het metastabiele diagram (dus eigenlijk met het Fe-Fe3C diagram).

Figuur 4.17 Het ijzer-koolstof diagram. Getrokken lijnen: Metastabiele diagram: Fe - Fe3C Streepjeslijnen: Stabiele diagram: Fe-C (grafiet). (daar waar geen streeplijn staat geldt de getrokken lijn)


Mei 2010 71

Als de koolstof als grafiet is uitgescheiden gebruiken we het stabiele diagram In Figuur 4.17 wordt dit voorgesteld door de stippellijnen.

Hier beperken we ons tot het metastabiele diagram (dus eigenlijk met het Fe-Fe3C diagram).

Eerst kijken we naar de eenfasegebieden (homogene structuur). Dat zijn de vloeistof L en de vaste fases δ, γ (austeniet), α (ferriet) (zie ook hoofdstuk 2.6) De oplosbaarheid van C in δ en α is gering. In α maximaal 0,022% bij 727 °C en ≤0,001% bij kamertemperatuur (Let wel: dat zijn evenwichtsconcentraties). Als er meer C in het staal zit (en dat is bijna altijd het geval) zal dat uitgescheiden worden als Fe3C.

De oplosbaarheid van C in γ is veel groter. Dit is ook het gebied waarin staal wordt warmgewalst.

De overige vlakken zijn tweefasegebieden: hier bestaat de structuur dus uit de twee fases die erin vermeld staan.

Voorbeeld Stel we hebben een legering van Fe met 1,5% C Bij 1100 °C bestaat dit uit 100% γ, bij ca 950 °C komen we in het tweefasegebied en begint zich Fe3C te vormen Bij 800 °C hebben we 91% γ en 9% Fe3C (ga dat na). Bij 500 °C bestaat de structuur uit α en Fe3C (eigenlijk uit Fe3C met eutectoïde).

Er zijn 3 driefaselijnen

bij 1450 °C Hier ziet het evenwicht er als volgt uit: L + δ γ Dit is een peritectische reactie (het omgekeerde van een eutectische reactie). Voor de toepassing van ongelegeerd of laaggelegeerd staal speelt dit evenwicht geen rol. We zullen dit soort reacties hier niet verder bespreken.

bij 1154 °C Hier is het evenwicht: L α + Fe3C Dit is een eutectische reactie en het punt bij 4,3%C is een eutecticum. Het diagram rondom dit punt is reeds beschreven in par 4.3.6. De eutectische (of bijna eutectische) samenstelling maakt ijzer goed gietbaar: we hebben hier te maken met gietijzer. Omdat bij die samenstelling er bij alle temperaturen minimaal twee structuurbestanddelen zijn, is het geen homogeen vervormingsgebied.

Een groot deel van de structuur in dit eutecticum bestaat uit cementiet, wat het materiaal zeer hard en bros maakt.

(het eutecticum bestaat voor 48% uit Fe3C, ga dat na)

bij 727 °C Voor staal is dit het meest belangrijke evenwicht. Dit deel van het diagram heeft grote overeenkomst met het diagram van


72 Mei 2010

paragraaf 4.3.3. Het verschil is dat nu niet uitgegaan wordt van een stollende vloeistof maar van een vaste stof die overgaat in twee andere. γ α + Fe3C Dit is een eutectische reactie en het punt met de samenstelling 0,77% C noemen we een eutectoïde. De structuur die hier ontstaat heet perliet (zie hoofdstuk 6).

Welke structuren ontstaan als langzaam wordt afgekoeld naar kamertemperatuur wordt ook besproken in hoofdstuk 6.

4.11 Kristalsegregatie Bij de bespreking van de afkoeling van een legering van basistype II (volledige oplosbaarheid) werd geconstateerd dat de samenstelling van de vaste stof steeds verandert en wel volgens de soliduslijn.

Dit veronderstelt diffusie van atomen in de vaste stof:

er moeten immers steeds atomen B vanuit de vloeistof tot in de kern van het eerder gestolde materiaal doordringen.

De diffusiesnelheid is onder andere afhankelijk van de temperatuur en tijd.

Indien de afkoelsnelheid te hoog is bij de stollingstemperatuur zal er dus onvoldoende B tot in de kern van het eerstgestolde materiaal kunnen dringen: dit leidt tot verschillen in de samenstelling in een kristal, de zogenaamde kristalsegregatie).

Hoe de afkoeling dan verloopt, wordt besproken voor het geval er in het geheel geen diffusie is.

Een legering P (Figuur 4.18) koelt af en zal bij T1 vaste stof Sx1 met samenstelling x1 uitscheiden. Bij T2 is om Sx1 een laagje vaste stof Sx2 met samenstelling x2 ontstaan. Gemiddeld bevat de vaste stof nu ongeveer (X1+X2)/2 % B. Dus minder dan x2% !! Bij T3 groeit er vaste stof Sx3 met samenstelling x3 om Sx2 heen. De gemiddelde samenstelling is nu ongeveer (X1+X2+X3)/3 % B, hetgeen minder is dan x3, maar bijvoorbeeld x'3. De soliduslijn S' die de gemiddelde samenstelling van de vaste stof aangeeft loopt dus onder de lijn S van het evenwichtsdiagram.

De buitenste laag van het kristal heeft steeds de samenstelling die gegeven wordt door de S lijn (de evenwichts-soludus).


Mei 2010 73

Figuur 4.18 Schematische weergave van kristalsegregatie. Indien er helemaal geen diffusie is zal de solidus verlopen van X1 naar Q.

Indien bij T4 de evenwichts-solidus S gesneden wordt is er nog een hoeveelheid vloeistof over met de samenstelling L4. De hoeveelheid kan met de hefboomregel bepaald worden:

Hoeveelheid vloeistof = 144

144

xLxx

−−

Indien de laatste vloeistof stolt (beschouw dit als een oneindig dunne film vloeistof) dan moet deze vloeistof dezelfde samenstelling hebben als de vaste stof: er is immers innig contact tussen vloeistof en vaste stof. Dit is het geval in het smeltpunt van B.

Gemiddeld is er P% B, zodat de S' lijn in punt Q eindigt. De S'-lijn begint bij T1 waar voor het eerst vaste stof ontstaat.

De soliduslijn waar we mee moeten rekenen (bijvoorbeeld bij gebruik van de hefboomregel!) is:

de S'-lijn als er geen diffusie is of de S lijn als er volledige diffusie is.

In de praktijk komt altijd wel enige diffusie voor, zodat de werkelijke solidus tussen S en S' in ligt.

Kristalsegregatie is nadelig voor de eigenschappen: door de inhomogene structuur zijn allerlei mechanische, fysische en chemische eigenschappen van plaats tot plaats verschillend. Zo kan segregatie leiden tot onverwachte corrosie.

Kristalsegregatie komt vooral voor in gietwerk. Wil men kristalsegregatie in gietstukken opheffen dan zal er gedurende een lange tijd bij een zo hoog mogelijke temperatuur moeten worden gegloeid (wel onder het smeltpunt van de laatst stollende fase!). Zo'n warmtebehandeling wordt homogeengloeien of diffusiegloeien genoemd.


74 Mei 2010

Over het algemeen is homogeengloeien echter een langdurige, kostbare warmtebehandeling. Zo moet men een koper-tin legering (brons) met 10 % tin ongeveer 5 uur lang gloeien op 650 °C om de segregatie op te heffen. Genoemde gietlegering wordt veel gebruikt voor pomphuizen, afsluiters, tandwielen etc.

Een halffabrikaat wordt na het uitgieten in een blok weer opgewarmd om te worden gewalst of gesmeed. De kristalsegregatie zal grotendeels kunnen verdwijnen omdat er dan diffusie mogelijk is.

Figuur 4.19 Kristalsegregatie A: schematisch voor het homogeengloeien B: Microstructuur van een Cu-Ni legering voor homogeengloeien C: idem na homogeengloeien.

4.12 Precipitatie en precipitatieharding

In een groot aantal systemen komt een teruglopende oplosbaarheidslijn voor. We zullen zo'n systeem hier wat nader bekijken.

Bij een langzame afkoeling vanuit het homogene α-gebied wordt bij P de oplosbaarheidslijn RU gepasseerd. Er worden dan mengkristallen β uitgescheiden. Deze β- deeltjes vindt men in de matrix en langs de korrelgrens. Zie Figuur 4.20a.

Bij versnelde afkoeling (bijvoorbeeld door vanaf punt F in water af te koelen) wordt de situatie, zoals die was in punt F, ingevroren (Figuur 4.20b). Bij kamertemperatuur is de α-fase is oververzadigd aan B atomen. Deze situatie is niet stabiel en er zal zich alsnog β willen gaan vormen.

Hiervoor is energie en tijd nodig, aangezien de β-fase zich uitsluitend kan vormen door diffusie van atomen B uit de α-matrix. De diffusie van B-atomen zal bij voldoende energie, met een zekere snelheid, afhankelijk van de temperatuur, gaan plaatsvinden en leidt in eerste instantie tot submicroscopische uitscheidingen van conglomeraten van B-atomen, die in de verste verte nog niet op β deeltjes lijken.. Het is belangrijk dat deze


Mei 2010 75

uitscheidingen in de gehele matrix ontstaan (dat gebeurt niet altijd). Dit is in Figuur 4.20c weergegeven

Deze uitscheiding noemt men precipitatie en de uitgescheiden deeltjes precipitaten. Men kan constateren dat gedurende de precipitatie de hardheid eerst toeneemt en vervolgens weer daalt (zie Figuur 4.21).

Langzaam afgekoeld afgeschrikt Afgeschrikt en geprecipiteerd

Figuur 4.20 Boven: deel van een fasediagram met een teruglopende oplosbaarheidslijn. Onder: structuren na langzaam afkoelen, afschrikken en afschrikken en nagloeien.

Figuur 4.21 Treksterkte van AlMgSi als functie van de precipitatie–temperatuur en -tijd. (oplosgloeitemperatuur 530 °C)


76 Mei 2010

***** Het stijgen en dalen van de hardheid kan als volgt worden verklaard.

In eerste instantie zijn de atomen B nog volledig verspreid (opgelost) in het rooster van A. B vervormt het rooster enigszins waardoor een geringe hardheidsverhoging mogelijk is (oplosharding). Als de uitscheiding op gang komt, door hergroepering van de B-atomen, neemt het spanningsveld toe. Er ontstaan eerst submicroscopische deeltjes (naaldjes, schijfjes of bolletjes) die nog goed in het α-rooster passen. Het is dan nog lang geen β-deeltje, maar een pril voorstadium ervan.

Bij voortgaand groeien van deze deeltjes, wordt de passing steeds slechter en neemt het spanningsveld rond de precipitaten toe. Op een gegeven moment past het deeltje, door de grootte ervan, alleen nog maar gedeeltelijk in het α rooster: sommige atoomvlakken lopen door, andere niet. Na verloop van tijd, als de groei zich doorzet is de passing zo slecht geworden dat alle samenhang met het oorspronkelijke α-rooster is verloren; er is dan sprake van een apart deeltje, met een eigen rooster: het β deeltje. Het spanningsveld neemt dan weer af, naarmate het deeltje groter wordt.

Men spreekt van coherentie als het precipitaat nog geheel past in het α-rooster, en van incoherentie als het helemaal niet meer past. (zie Figuur 4.22).

De maximale hardheid en sterkte wordt in een tussenstadium bereikt. Het precipitaat is dan semi-coherent met het α-rooster.

Het verloop van het proces is afhankelijk van de legering, de temperatuur en de tijd. Bij de meeste legeringen verloopt het precipitatieproces vrij snel bij kamertemperatuur. Bij andere moet men de temperatuur verhogen om de juiste precipitaten te krijgen. Koelt men op tijd af dan resteert een semi-coherent precipitaat, wat een hogere sterkte en hardheid veroorzaakt. Bij sommige legeringen begint de precipitatie gewoon bij kamertemperatuur, maar groeit het precipitaat niet verder dan een bepaald (semi)coherent stadium.

De hardheidstoename als gevolg van deze precipitatie noemt men precipitatieharding Behalve de hardheid neemt ook de rekgrens en de treksterkte toe

Precipitatieharding komt in allerlei legeringen voor (gelegeerd staal, aluminium- en koperlegeringen etc.) Vooral in aluminiumlegeringen is onder invloed van de vliegtuigbouw, uitgebreid onderzoek gedaan naar precipitatieharding gedaan en worden hoge sterkten bereikt.


Mei 2010 77

A Oververzadigd mengkristal.

B Coherent tussenfase (submicroscopische

tussenfase).

C Semicoherente

tussenfase die de hoogste hardheid

aan de legering geeft

D Microscopisch

zichtbare incoherente uitscheiding van β.

Figuur 4.22 Schematisch weergave van enkele tussenstadia bij precipitatie.

Samenvattend:

Precipitatieharding is een zeer belangrijke methode om legeringen harder en sterker te maken.

De warmtebehandeling is als volgt

− Oplosgloeien tot een temperatuur boven de teruglopende oplosbaarheidslijn. Er ontstaat dan een homogene structuur

− Afschrikken om uitscheidingen tegen te gaan De hardheid is nog laag en het materiaal is goed te vervormen

− Precipitatie bij een temperatuur ver onder de oplosbaarheidlijn Dat kan bij sommige legeringen bij kamertemperatuur (“koud”) Vaak gebeurt dat bij door gloeien bij hogere temperatuur (“warm”)

Of een legering door deze behandeling werkelijk gehard is en bruikbaar, is een ervaringsfeit.


78 Mei 2010

Hogeschool Utrecht Materiaalbeproeving

Mei 2010 79

5. Materiaalbeproeving

5.1 Inleiding

Tot nu toe hebben is in verband met de eigenschappen gesproken over hardheid, sterkte, taaiheid, enzovoort. Dit zijn karakteristiek grootheden. Onder karakteristieke eigenschappen kan worden verstaan: die eigenschappen, die de materialen van elkaar doen onderscheiden.

Voorbeeld Geleidingsvermogen is een karakteristieke fysische grootheid omdat dat voor alle materialen anders is. Vorm en afmeting zijn geen karakteristieke grootheden omdat ze materiaalonafhankelijk zijn.

Vaak zijn karakteristieke eigenschappen kwantificeerbaar, maar dat is niet altijd zo. In Tabel 5.1 is een overzicht gegeven van de belangrijkste karakteristieke eigenschappen van materialen, waarbij onderscheid gemaakt is tussen chemische, fysische, technologische en mechanische eigenschappen.

soort eigenschap enkele voorbeelden

chemische eigenschappen samenstelling corrosievastheid

fysische eigenschappen

smeltpunt soortelijke massa uitzettingscoëfficiënt geleidingsvermogen verwekingstemperatuur wrijvingscoëfficiënt kleur glans giftigheid

mechanische eigenschappen

sterkte taaiheid elasticiteitsmodulus kerfslagwaarde vermoeiingssterkte kruipsterkte hardheid

technologische eigenschappen gietbaarheid lasbaarheid verspaanbaarheid

Tabel 5.1 Overzicht van de belangrijkste karakteristieke grootheden


80 Mei 2010

In dit hoofdstuk wordt ingaan op de betekenis van de mechanische eigenschappen en de wijze waarop ze bepaald worden. Daar het voor deze beproevingen vrijwel altijd noodzakelijk is het materiaal te vervormen, vaak tot breuk erop volgt, spreken we ook van destructief onderzoek.

Daarnaast is het nog mogelijk een ruw materiaal of een gereed product te beproeven zonder het materiaal te beschadigen. In dat geval wordt van niet destructief onderzoek (NDO) gesproken. Deze vorm van beproeving is van uitermate groot belang bij de bepaling van de kwaliteit van een product.

5.2 Destructief onderzoek

Zoals het woord al zegt, wordt hierbij het materiaal kapot gemaakt met als doel karakteristieke grootheden te bepalen. Het onderzoek wordt op aparte proefstukken uitgevoerd. Belangrijke gegevens die men aan zulke proeven ontleent zijn belastingen die nodig zijn om materialen te vervormen of te doen breken, of de tijd die daarvoor nodig is, enz.

Men onderscheidt:

Overwegend statische beproeving. Hierbij wordt de belasting langzaam opgevoerd tot een hoogste waarde (zoals de trekproef), of de belasting wordt snel aangebracht en tot het einde van de proef constant gehouden ( bijvoorbeeld de hardheidsmeting of kruipproef).

Overwegend dynamische beproeving. Hierbij komt de belasting met één slag op het proefstuk (bijvoorbeeld kerfslagproef), of verandert de belasting periodiek tussen twee waarden (zoals bij de vermoeiingsproef).

5.3 Trekproef

De trekroef is wellicht de belangrijkste en meest algemene proef om een waardeoordeel te geven over de sterkte en de taaiheid van een materiaal.

De proef bestaat uit het verlengen van een proefstaaf door een trekkracht, gewoonlijk tot breuk optreedt, ten einde één of meer gedefinieerde mechanische eigenschappen te bepalen.

Tenzij anders is voorgeschreven moet de proef worden uitgevoerd bij omgevingstemperatuur. De vorm en afmetingen van de proefstaaf hangen af van de producten die moeten worden getest, maar moeten wel voldoen aan criteria die in de te gebruiken norm zijn vermeld. We zullen ons hier baseren op NEN-EN 10002-1, die geldt voor metalen.

De proefstaaf wordt ingeklemd in een zogenaamde trekbank en langzaam met constante snelheid uit elkaar getrokken.


Mei 2010 81

Tijdens het trekken wordt de benodigde kracht F en de verlenging ∆L opgemeten.

Figuur 5.1 Schematische voorstelling van een trekbank.

Het verband tussen F en ∆L kan grafisch worden weergegeven, maar omdat het resultaat dan afhankelijk is van de afmetingen van de staaf, worden de begrippen spanning en rek gebruikt. De grafische weergave van de spanning als functie van de rek wordt de spanning-rek kromme of trekkromme genoemd.

spanningFS

σ =0

rekL L

LL

LO

O Oε =

−=

∆

met F = belasting (N) SO = oppervlakte van de oorspronkelijke dwarsdoorsnede (mm2) LO = oorspronkelijke meetlengte (mm) L = meetlengte van de staaf tijdens de belasting

De spanning heeft dus de dimensie MPa , de rek is dimensieloos. De trekkromme is nu onafhankelijk van de staafdoorsnede

Let op: De dimensie van de spanning is MPa (MegaPascal); In de literatuur en in ook in dit dictaat wordt nog veelvuldig de dimensie N/mm2 gebruikt.

1 MPa = 1 N/mm2,


82 Mei 2010

5.3.1 De trekkromme Laten we de trekkromme nader bekijken (Figuur 5.2).

In eerste instantie is de vervorming elastisch, dat wil zeggen wanneer de belasting van de staaf afgehaald wordt, veert ze terug tot de oorspronkelijke lengte. Dit geldt tot punt B in de kromme.

Elastische vervorming

Voor de meeste metalen geldt bovendien dat de rek aanvankelijk zelfs recht evenredig is met de belasting; hier geldt de wet van Hooke, waaruit de elasticiteitsmodulus E berekend kan worden: In Figuur 5.2 geldt dit tot punt A

elasticiteitsmodulus E =σε

De E-modulus heeft ook de dimensie van een spanning (MPa) en kan bepaald worden als de tangens van de hoek tussen σ en ε in het elastische gebied tot punt A.

A: Proportionaliteits- of evenredigheidsgrens B: Elasticitieisgrens D: Maximale belasting (treksterkte) E: Breekpunt

Figuur 5.2 De trekkromme: het verband tussen spanning (σ) en rek (ε)


Mei 2010 83

Voor materialen die geen duidelijk lineair gebied in het elastische deel kennen, zoals kunststoffen en grijs gietijzer (ijzer met grafiet) kan moet de E-modulus bepaald worden op één van de volgende manieren:

Als tangens van de hoek die de raaklijn aan de kromme maakt bij een bepaalde (van belang zijnde) elastische spanning. We spreken dan van een tangentmodulus als σ ≠ 0 en van aanvangsmodulus als σ = 0 In formule: Et = (dσ/dε)ε = ε1, respectievelijk E0 = (dσ/dε)ε = 0

Als gemiddelde elasticiteitsmodulus over een bepaald belastingstraject, gemeten vanaf σ = 0: Dit wordt secantsmodulus genoemd: Es = σ1/ε1.

De bepaling van de elasticiteitsmodulus is voor een constructie van zeer groot belang. Het bepaalt de mate van doorbuiging onder belasting zoals in Figuur 5.3 weergegeven is. De E-modulus is een belangrijke rekengrootheid waarmee de constructeur de spanningen en doorbuigingen in zijn constructie kan berekenen en daarmee de dikte en vorm van zijn constructie vastlegt. Overigens is de trekproef voor de bepaling van E minder nauwkeurig en worden andere proeven geadviseerd.

Materialen met een hoge E-modulus worden stijf genoemd, die met een lage zijn slap.

Constructies zullen bij normaal gebruik in dit belastingsgebied worden toegepast.

Figuur 5.3 De elasticiteitsmodulus bepaalt bij een bepaalde lengte en doorsnede ( of profiel) de mate van doorbuiging (In de figuur zijn de afmetingen van de staaf gelijkgehouden).

Plastische rek

Rekgrens

We keren terug naar de trekkromme. Bij verdere verhoging van de belasting zal de proefstaaf vanaf een zeker moment een blijvende vervorming vertonen: bij het wegnemen van de belasting komt de staaf niet meer helemaal terug tot zijn oorspronkelijke vorm; de staaf is nu plastisch vervormd.

De precieze belasting waarbij de staaf voor het eerst plastische vervorming gaat vertonen wordt elasticiteitsgrens genoemd (punt B in Figuur 5.2). Deze waarde is moeilijk te bepalen, zodat gewerkt wordt met de zogenaamde rekgrens (RP), dit is de spanning waarbij een bepaalde meetbare blijvende rek wordt gemeten. Meestal is het de spanning bij


84 Mei 2010

Vloeigrens

een blijvende rek van 0,2%, maar het kan ook wel eens 0,1 of 1% zijn.

Dus de 0,2-rekgrens (symbool R0,2) is de spanning bij een blijvende rek van 0,2%. In een opgetekende trekkromme van metalen is de overgang naar het plastische gebied gemakkelijk te herkennen als een duidelijke afwijking in het verloop: bij toenemende verlenging neemt de spanning duidelijk minder evenredig toe.

Gegloeid staal kent bij de overgang van het elastische naar plastische deel een merkwaardig verschijnsel, het vloeien. Terwijl de staaf verder verlengd wordt vertoont de belasting enige tijd een schommeling. Dit geeft aanleiding om de spreken over een vloeigrens in plaats van een rekgrens. Daarbij wordt nog onderscheid gemaakt tussen de bovenste vloeigrens (symbool ReH), de spanning waarbij de eerste duidelijke daling van de kracht wordt waargenomen en de onderste vloeigrens (symbool ReL), de laagste spanning die tijdens het vloeien optreedt (zie Figuur 5.6 enFiguur 5.7). Gewoonlijk wordt met de vloeigrens de onderste vloeigrens bedoeld

Materialen met een hoge rekgrens worden stug genoemd, met een lage rekgrens week of zacht.

Zoals vermeld: na punt B (Figuur 5.2) gaat de staaf plastisch vervormen, naast de aanwezige elastische vervorming. Als we bijvoorbeeld de rek in punt C bekijken geldt hiervoor (zie

Figuur 5.4):

petotaal ε+ε=ε

εe is de elastische rek en εp de plastische. Dit betekent dat bij het wegnemen van de belasting in punt C de staaf terugkomt tot punt O’. Er resteert dan alleen nog de plastische vervorming εp. Hetzelfde gebeurt ook als de staaf breekt: ook hier blijft alleen de plastische rek over.


Mei 2010 85

Figuur 5.4 Totale rek = plastische rek + elastische rek.

Als de staaf belast is tot een waarde na punt B (bijvoorbeeld C), en vervolgens ontlast wordt, neemt de totale rek met een (vaste) waarde εp af.

Figuur 5.5 Rekgrens Rp (27) Plastische rek (21)

Figuur 5.6 Bovenste (23) en onderste (24) vloeigrens, ReH, resp. ReL (bij zacht staal)


86 Mei 2010

Figuur 5.7 Trekkromme van gegloeid staal.

Treksterkte

Insnoering

Vervolgen we de trekkromme dan constateren we op een gegeven moment een maximum in de benodigde trekkracht (punt D in Figuur 5.2)

Tussen de punten B en D vindt gelijkmatige rek plaats, dat wil zeggen dat de staaf gelijkmatig langer en dunner wordt. De spanning in punt D wordt de treksterkte genoemd.

Na punt D concentreert de verlenging zich tot een klein gebied, waar de staaf sterk rekt en ook sterk in doorsnede afneemt. De staaf snoert in en breekt.

(punt E in Figuur 5.2)

Na de breuk kan de totale verlenging worden opgemeten.

We definiëren:

de treksterkte (symbool Rm), de spanning bij maximale trekkracht.

RFSm

m

O=

de insnoering (symbool Z), de grootste vermindering in dwarsdoorsnede na breuk uitgedrukt als een percentage van de oorspronkelijke dwarsdoorsnede

%100×−

=O

UO

SSS

Z

de breukrek (symbool At), de rek bij breuk.

%100L

LLA

O

OUt ×

−=


Mei 2010 87

Hierin is Fm de maximumkracht, gemeten tijdens de proef, SU het oppervlakte van de kleinste dwarsdoorsnede van de staaf na de breuk en LU de meetlengte van de staaf na breuk.

Materialen hoge treksterkte worden sterk genoemd, die met een lage zwak. Als de insnoering groot is dan is de rek vaak ook groot en noemt met een materiaal taai. Bij materialen met een kleine insnoering treedt de breuk snel na de maximale belasting op en worden bros genoemd.

In Tabel 5.2 is een overzicht gegeven van de belangrijkste eigenschappen die met een trekproef bepaald kunnen worden.

Eigenschap symbool eenheid hoge waarde / lage waarde

Elasticiteitsmodulus E MPa stijf / slap

0,2%-rekgrens R0,2 MPa stug / week

Bovenste vloeigrens ReH MPa stug / week

Treksterkte Rm MPa sterk / zwak

Breukrek At % taai / bros

Insnoering Z % taai / bros

Tabel 5.2 Overzicht van de belangrijkste begrippen die samenhangen met de trekproef.

5.3.2 Arbeid Het oppervlakte onder de kromme kracht - verlenging en stelt de arbeid voor die nodig is om het proefstuk te vervormen. De dimensie is immers N×m = J.

Het oppervlak onder de trekkromme (spanning- rek) stelt de specifieke arbeid voor; dit is de arbeid per volume-eenheid. De dimensie is nu N/mm2 ×1 = Nm/mm3 = J/m3.

Een groot deel van de verrichte arbeid wordt omgezet in warmte. Het is duidelijk te merken dat de staaf op het moment van breken in het ingesnoerde gebied aanmerkelijk warmer is geworden.

Omdat in het elastische gebied geldt dat σ = E.ε, zal de specifieke elastische energie gelijk aan het driehoekige oppervlak onder de moduluslijn (zie Figuur 5.8). Deze elastische energie komt weer vrij bij het ontlasten van het materiaal. Dit is van groot belang voor bijvoorbeeld veren. Voor bepaalde veren moet dit ingesloten oppervlak zo groot mogelijk zijn, dan is er immers een grote energieopslag. Een materiaal met een hoge rekgrens (eigenlijk elasticiteitsgrens) bij een “lage” E-modulus voldoet hieraan, zoals bijvoorbeeld messing en brons.


88 Mei 2010

De arbeid verricht door de staaf in het elastische gebied komt weer vrij bij ontlasten van de staaf Voor deze elastische arbeid vinden we:

E21

21A

2σ⋅=

εσ⋅= (N/mm2 ≡ J/mm3)

A is groot als σ groot is en E klein.

Figuur 5.8 Elastische arbeid

5.3.3 Ware trekkromme Als een staaf getrokken wordt, wordt hij niet alleen langer maar ook dunner. Deze diametervermindering is in het begin (in het elastische gebied) nog erg klein. In het plastische gebied tussen B en D wordt de staaf gelijkmatig langer en dunner. Pas als er insnoering van de staaf optreedt, na punt D neemt de diameter zichtbaar af.

5.3.3.1 Ware spanning Bij de trekproef wordt de spanning gedefinieerd als

doorsnedelijkeoorspronkebelasting

. Daar echter de doorsnede na het passeren van

de rekgrens merkbaar afneemt, zal de werkelijke spanning hoger zijn.

We kunnen een ware spanning σw definiëren als belastingbij doorsnede

belasting

Indien nu een grafiek getekend wordt van deze werkelijke spanning als functie van de rek ontstaat een figuur als weergegeven in Figuur 5.9. Deze kromme noemt men de ware trekkromme. In het begin zijn de afwijkingen nog klein: de staaf wordt maar langzaam en gelijkmatig dunner en de berekende spanning geldt nog voor het hele meetgebied van de staaf. Na het passeren van de maximale belasting, als de rek zeer plaatselijk is, wordt de spanning ter plaatse van de insnoering zeer groot.

Voor de praktijk heeft de ware spanning (en de ware rek) slechts betekenis bij het vervormen van plaat. Een constructeur zal het materiaal nooit zover belasten dat blijvende vervorming of vermoeiing op kan treden: de spanningen liggen dan ruim onder de rekgrens


Mei 2010 89

Figuur 5.9 Ware spanning σw van gegloeid koper(kromme II), vergeleken met de “gewone trekkromme.”

5.3.3.2 Ware rek Naast ware spanning kan ook de ware rek bepaald worden. De staaf wordt immers steeds langer en als elke volgende (kleine verlenging) betrokken wordt op de er aan voorafgaande lengte krijgt men ware rek εW.

Stel men voert de trekproef stapsgewijs uit. Bij de n-de spanningsverhoging neemt de verlenging dan toe met de lengte ∆Ln . Dan volgt voor de gewone rek:

∑∆=⋅⋅⋅+

∆+

∆+

∆=

∆=ε

0

n

0

3

0

2

0

1

0 LL

LL

LL

LL

LL

Betrekt men de verlenging van elke volgende stap op de lengte van de staaf die daar direct aan vooraf gaat dan volgt:

∑−

∆=⋅⋅⋅+

∆+

∆+

∆=ε

1n

n

2

3

1

2

0

1

LL

LL

LL

LL'

Maken we nu de stapjes oneindig klein dan is het resultaat:

==ε ∫

0

L

LW L

LlnL

dL

0

Deze procedure heeft alleen maar zin als ze betrokken wordt op een stukje metaal dat homogeen wordt vervormd

5.3.4 Invloed van de temperatuur In het algemeen geldt dat metalen bij hogere temperatuur beter vervormbaar zijn dan bij lagere. De rekgrens en de treksterkte liggen lager, de rek en de insnoering zijn hoger.

Hierdoor is er minder energie nodig om materialen bij een hogere temperatuur te vervormen. Een ander gevolg hiervan is dat een constructie, waarin inwendige spanningen


90 Mei 2010

aanwezig zijn bij temperatuurverhoging kunnen gaan vervormen. Staal wijkt iets af van dit gedrag: tot ca. 200 °C stijgt de treksterkte, om vervolgens te gaan dalen. De vloeigrens daalt steeds bij toenemende temperatuur en wordt gaandeweg minder duidelijk om bij ca 350 °C geheel over te gaan in een rekgrens..

Figuur 5.10 Trekkrommes van gegloeid (zacht) staal bij verschillende temperaturen. De treksterkte stijgt eerst tot ca 200 °C om daarna te dalen; de rekgrens daalt continu. (De nulpunten van de verschillende krommes zijn steeds naar rechts verschoven ter wille van de duidelijkheid)

5.3.5 Invloed van de meetlengte Hoe langer de staaf is, des te minder de invloed is die de rek bij de insnoering heeft op de totale rek. Omgekeerd: in een korte staaf wordt een relatief groot deel van de staaflengte door de rek bij insnoering ingenomen. De vorm van de trekkromme is dus afhankelijk van de meetlengte. Daarom moet de meetlengte bij de staaf vermeld worden. Standaard meetlengtes zijn dp5 en dp10, hetgeen betekent dat de meetlengte 5, resp. 10 keer de diameter van de ronde staaf is.

a. dp5 staaf

b. dp10 staaf

c. staaf met oneindige lengte

Figuur 5.11 De meetlengte heeft invloed op de gemeten rek


Mei 2010 91

5.3.6 Invloed van de reksnelheid De snelheid waarmee de trekproef wordt uitgevoerd, de reksnelheid, heeft ook invloed op de trekkromme.

Bij toenemende reksnelheid nemen de rekgrens en treksterkte toe, terwijl de rek en insnoering afnemen. Bij kamertemperatuur is de invloed bij de meeste metalen niet zo groot, maar de snelheid wordt in de norm wel voorgeschreven, en is afhankelijk van de te meten grootheid. Meestal kan worden volstaan met het voorschrijven van een maximale reksnelheid.

Voorbeeld Voor staal moet de spanningstoename in het elastische gebied liggen tussen de 6 en 30 N/mm2s-1 Voor zink moet de reksnelheid (12,5 ± 5)% per minuut bedragen (speciaal geval)

5.3.7 De breuk Aan het breukvlak van een trekstaaf kan men zien of het materiaal taai of bros is In een taai materiaal ontstaat een kratervormige breuk. De “wanden” van de krater staan onder een hoek van 45° met de staafas, als gevolg van afschuiving (zie hoofdstuk 3, met name 3.1.1) Het middengedeelte breekt vervolgens met een bros uiterlijk.

In een bros metaal treedt deze afschuiving niet op en zal het materiaal een splijtbreuk vertonen. Het hele breukoppervlak staat nagenoeg loodrecht op de staafas. Een typisch voorbeeld van een brosse breuk ontstaat bij gietijzer (Figuur 5.12).

Een bros breukvlak bij staal heeft vaak een glinsteren uiterlijk

Breukvlak van taai metaal (bijvoorbeeld zacht staal)

Breukvlak van bros materiaal (bijvoorbeeld gietijzer)

Figuur 5.12 Breukvlakken van gebroken trekstaven.


92 Mei 2010

5.4 Hardheidsmetingen De hardheid van een materiaal is eveneens een belangrijke technische eigenschap, die tot op zekere hoogte als alternatief kan dienen van een trekproef.

Onder hardheid wordt gewoonlijk verstaan: de weerstand van een materiaal tegen blijvende vervorming door indrukken. Er zijn ook andere definities (zie § 5.4.4).

In principe is een hardheidsmeting een eenvoudige en snel uit te voeren proef, die gedaan kan worden aan een betrekkelijk klein proefstukje, gebaseerd op het indrukken van een oppervlak met een bepaald lichaam. Er zijn een aantal methoden, waarvan de bekendste iets uitgebreider zullen worden besproken, te weten de Brinell, Vickers en Rockwell methode. Deze zijn speciaal voor metalen en worden vrijwel altijd in een laboratorium uitgevoerd.

Hardheid is overigens een vrij relatief begrip: het ene materiaal is harder dan het andere. Het hardere materiaal kan het zachtere bekrassen. Volgens dit principe is de hardheidsschaal van Mohs (± 1820) opgebouwd, een schaal die nog steeds gebruikt wordt in de mineralogie. Voor metalen is deze schaal niet bruikbaar.

Vaak wordt de hardheid gezien als een mate van slijtvastheid. Dit is echter maar ten dele waar.

5.4.1 Brinell hardheidsmeting (NEN-EN-ISO 6505-1)3

Een indruklichaam (een hardmetalen kogel met een diameter D) wordt in het oppervlak van een proefstuk gedrukt en na het wegnemen van de beproevingsbelasting F wordt de middellijn van de indrukking d gemeten.

De hardheid wordt aangegeven met het symbool HBW4

)(2102,0 = HBW

22 dDDDF

−−×π

.De hardheid volgens Brinell is evenredig aan het quotiënt van de beproevingsbelasting en het gebogen oppervlak van de indrukking waarvan wordt aangenomen dat hij bolvormig is met een straal die overeenkomt met de halve middellijn van de kogel. De hardheidswaarde mag niet groter zijn dan 650 HBW

waarin D = diameter van de kogel in mm, d = diameter van de indrukking in mm F = beproevingsbelasting in N

De factor 0,102 is ingevoerd om na de invoering van het SI stelsel dezelfde Brinell waarden te krijgen als voorheen (3000 kgf werd 29,42 kN).

3 Vernieuwde norm sinds jan 2006 en vervangt NEN-EN-ISO 6505-1 (1999) 4 In oudere normen wordt de hardheid –indien gemeten met een stalen kogel– aangeduid met het symbool HB of HBS. In Amerikaanse literatuur ziet men het symbool HBN.


Mei 2010 93

Figuur 5.13 Brinell hardheidsmeter

Figuur 5.14 Principe van de hardheidsmeting van Brinell

De hardheidswaarde HBW is na de meting van d in een tabel af te lezen. Het symbool HBW wordt voorafgegaan door de gevonden hardheidswaarde en gevolgd door een index die de beproevingsomstandigheden aangeeft in de volgende volgorde:

− de middellijn van de kogel (D) in mm;

− een getal dat de belasting aangeeft (de oude waarde in kgf !! (dus bij 14,71 kN wordt dit 1500;

− de belastingsduur in sec indien deze afwijkt van de gespecificeerde tijd (meestal 10-15 sec).

De Brinellhardheid heeft de dimensie van een spanning; de dimensie wordt echter niet vermeld.

Voorbeelden 350 HBS 5/750

hardheid volgens Brinell van 350, bepaald met een stalen kogel met een middellijn van 5 mm en een belasting van 7,355 kN gedurende 10-15 sec (volgens oudere normen) 600 HBW 1/30/20 hardheid volgens Brinell van 600, bepaald met een hardmetalen kogel met een middellijn van 1 mm en een belasting van 294,2 N gedurende 20 sec

De beproevingsbelasting moet zo gekozen worden dat de middellijn van de indrukking ligt tussen de waarden 0,24D en 0,6D, waarin D de kogeldiameter is. Daardoor wordt de indrukking niet te klein (onnauwkeurig) of te groot


94 Mei 2010

(uitstulping). Voor zachte materialen moet daarom met een lagere belasting gewerkt worden.

Bij het meten op dunne platen zijn aangepaste kogeldiameters nodig Let op In veel apparaten wordt nog gebruik gemaakt van een gehard stalen kogel. Ook zijn

veel metingen verricht met een gehard stalen kogel. Deze stalen kogel wordt gebruikt voor materialen met een hardheid niet groter dan 350 HBS.

Toepassingsgebied / Voor en nadelen

• Daar de indrukking vrij groot is, wordt met de Brinellhardheid vooral een gemiddelde hardheid bepaald,

• hierdoor geschikt om de hardheid van inhomogene materialen te meten,

• maar levert beschadiging van het oppervlakte op.

• Niet te harde materialen, andere vervormt de kogel.

• Alle metalen, echter niet te dun, anders wordt de tafel onder het werkstuk meegemeten

5.4.2 Vickers hardheidsmeting (NEN-EN-ISO 6506-1) Aan een aantal bezwaren van de Brinellmeting wordt grotendeels tegemoet gekomen door de methode volgens Vickers.

Het indruklichaam, een diamanten piramide met een tophoek van 136° wordt met een belasting F in het oppervlak gedrukt. Na het wegnemen van de belasting worden de beide diagonalen van de ontstane indrukking gemeten (Figuur 5.15).

De tophoek van 136° is gekozen, opdat in het meetgebied tot 300 HV ongeveer geldt: HV = HBW (eigenlijk HBS).

De Vickershardheid is evenredig met het quotiënt tussen de belasting en het oppervlakte van de indrukking, dat als een rechte piramide met een vierkant grondvlak wordt beschouwd.


Mei 2010 95

Figuur 5.15 Principe van de hardheidsmeting volgens Vickers.

Wiskundig kan worden afgeleid dat het oppervlakte van de 4 zijvlakken van deze piramide gelijk is aan :

d2

2136

2⋅ sin

zodat geldt:

HVF

dFd

= ⋅⋅ ⋅

≈0 1022

1362 0 18912 2,

sin,

waarin F = belasting in N d = gemiddelde lengte van de diagonaal in mm ((d1 + d2)/2)

Evenals de Brinellhardheid heeft de Vickershardheid de dimensie van een spanning. Deze dimensie wordt niet vermeld.

De hardheid volgens Vickers wordt weergegeven op de volgende wijze. Het symbool HV wordt voorafgegaan door de gevonden hardheidswaarde en gevolgd door een index die de beproevingsomstandigheden aangeeft in de volgende volgorde:

− een getal dat de belasting aangeeft in kgf

− de belastingsduur in sec indien deze afwijkt van de in de norm vastgelegde tijd (meestal 10-15 sec)

voorbeelden 640 HV 30 Een Vickershardheid van 640 gemeten met een beproevingsbelasting van 294,2 N (= 30 kgf)

545 HV 1/20 Een Vickershardheid van 545 gemeten met een beproevingsbelasting van 9,807 N (= 1 kgf) en een belastingstijd van 20 sec.

Een groot voordeel van deze methode is dat de indrukkingen gelijkvormig zijn en onafhankelijk van de indringdiepte (dat is bij de Brinellmeting niet het geval). Daardoor is het mogelijk de belasting willekeurig te kiezen; de gevonden hardheden zijn dan toch gelijk. Vanwege de keuze van de het indruklichaam (diamant) kunnen alle materialen met deze methode beproefd worden.

Door de te gebruiken gewichten kan de Vickersmethode verdeeld worden in 3 groepen

• Macro belasting-gebied, met belastingen van 49,03 tot 980,7 N (5-100 kgf)

• Laag belasting-gebied, met belastingen van 1,961 tot 29,42 N (0,2-3 kgf)

• Micro belasting-gebied, met belastingen < 1,961 N (<0,2 kgf)


96 Mei 2010

Een belasting van 294,2 N (= 30 kgf) is het meest gangbaar.

De meting in het microgebied wordt meestal gewoon microvickers genoemd; hiermee zijn zulke kleine indrukkingen te maken dat daarmee hardheid van structuurbestanddelen kan worden bepaald. Microvickers wordt dan ook uitgevoerd met een als hardheidsmeter uitgevoerde microscoop met een vergroting van 100×.

Figuur 5.16 Micro-Vickers hardheidsmeter

Voor- en nadelen

• De hardheid van zeer harde en zeer zachte materialen kan worden bepaald. Hiervoor wordt dezelfde schaal gebruikt

• De nauwkeurigheid is groter dan die van Brinell

• Door de mogelijkheid met zeer lage belastingen te kunnen meten, kunnen dunne materialen en oppervlaktelagen worden gemeten.

• De oppervlaktebeschadiging is zeer gering.

• De te meten oppervlakken moeten glad zijn (fijn geschuurd).

5.4.3 Rockwell hardheidsmeting (NEN-EN-ISO 6508-1) De derde belangrijke hardheidsmeting is die van Rockwell Met deze methode wordt de diepte van een indrukking gemeten. Afhankelijk van de hardheid van het te onderzoeken materiaal wordt een keuze gemaakt uit 2 indruklichamen en verschillende beproevingsbelastingen (zie Tabel 5.3). De methoden volgens Rockwell C en B worden het meest gebruikt

Rockwell hardheden worden aangegeven met HRC, HRB, etc. achter de gemeten waarde, zoals 44 HRC, en 80 HRB


Mei 2010 97

De meting wordt als volgt uitgevoerd Het indruklichaam wordt langzaan en gelijkmatig in het werkstuk gedrukt totdat er een voordruk F0 van 98,07 N (10 kgf) aanwezig is. Dan wordt de wijzer van een meetklok op 0 gezet. De hoofdbelasting F1 wordt dan aangebracht, waardoor het indruklichaam in het materiaal zakt. Dit is op de wijzer van de meetklok zichtbaar Na een voorgeschreven belastingstijd wordt de hoofdbelasting er weer afgenomen, waarna het induklichaam door de elastische vering weer iets omhoog komt. De wijzerstand die daarbij hoort is de gemeten Rockwell hardheid.

Elk meetstreepje vertegenwoordigt een diepte van 0,002 mm; het verschil tussen 2 opeenvolgende Rockwell hardheden is dus 0,002 mm

In Figuur 5.17 is schematisch de meetmethode voor Rockwell C weergeven Als de indrukking te klein wordt, treden meetfouten op (teveel elastische terugvering); Daarom zijn waarden boven 70 HRC niet betrouwbaar, maar ook waarden lager dan 20 HRC geven een te grote meetfout: er moet dan overgegaan worden op een stalen kogel of op een lagere belasting Iets dergelijks geldt ook voor de andere schalen.

soort meting indruklichaam hoofdbelasting F1 N (kgf)

totale belasting F N (kgf)

meetbereik en toepassingsvoorbeeld

Rockwell C diamanten kegel tophoek 120°

1373 (140) 1471 (150) 20-70 HRC gehard (en ontlaten) staal

Rockwell B stalen kogel ∅ 1,5875 mm

882,6 (90) 980,7 (100) 35-100 HRB zacht staal, messing, brons

Rockwell A diamanten kegel tophoek120°

490,3 (50) 588,4 (60) 60-88 HRA hardmetaal

Rockwell F stalen kogel ∅ 1,5875 mm

490,3 (50) 588,4 (60) 60-115 HRF koudgewalst blik, gegloeid koper

Rockwell T stalen kogel ∅ 1,5875 mm

(15, 30 of 45) Zachte dunne materialen, zoals dunne plaat

Tabel 5.3 Enkele hardheidsmeetmethoden volgens Rockwell. Rockwell C en B zijn de meest toegepaste.


98 Mei 2010

1. Diamanten indruklichaam met tophoek van 120° 2. Afronding 0,2 mm 3. Voordrukkkracht !0kgf (98 N) 4. Hoofddrukkracht 140 kgf (1373 N) 5. Totale drukkracht 150 kgf (1471 N) 6. Indringdiepte als gevolg van de voordrukkracht Hierdoor wordt een referentievlak vastgelegd 7. Indringdiepte als gevolg van de hoofddrukkracht 8. Indringdiepte (tb) die overblijft als de hoofddrukkracht weer wordt weggenomen 9. =8, maar uitgedrukt in eenheden van 0,002 mm: e = tb / 0,002 10. Hardheid HRC = 100-e

Figuur 5.17 Werkwijze van de Rockwell C hardheidsmethode Voor Rockwell B is wordt een stalenkogel gebruikt en is de hoofddrukkracht anders, nl 90 kgf (882,6 N)

Toepassingsgebied / Voor en nadelen

• weinig beschadigingen aan oppervlak

• snelle meting

• ook geschikt voor gehard staal

• minder nauwkeurig dan Brinell of Vickers

• de verschillende schalen hebben geen verband met elkaar

niet geschikt voor inhomogene materialen of dunne lagen

5.4.4 Andere hardheidsmethoden en mobiele harheidstestmethodes Er zijn nog enkele andere hardheidsmethoden die gezien kunnen worden als varianten van de hierboven bescheven meetmethoden. Genoemd is reeds de Meyerhardheid, lijkend op de Brinell hardheid, alleen wordt nu de kracht niet gedeeld door de oppervlakte van de indrukking , maar door de projectie ervan. Deze hardheidsmeting heeft alleen technische betekenis met betrekking tot slijtage (weerstand tegen snijden en krassen)

Een variant van de micro-Vickershardheid is de Knoop-hardheid, Bij deze meetmethode wordt gebruik gemaakt van een andere vorm van het indruklichaam. De Knoopdiamant geeft een langgerekte ruitvormige indrukking, waarmee iets nauwkeuriger dan met micro-Vickers gemeten kan worden (Figuur 5.18a)


Mei 2010 99

Voor de praktijk, –het meten “in het veld”– zijn inmiddels veel apparaten ontwikkeld, waarvan de uitkomsten omgerekend kunnen worden naar een van de drie standaardhardheden. Poldihamer (Figuur 5.18b) Met één slag van een hamer wordt een kogelindrukking gelijktijdig in het te onderzoeken metaal als in een staaf met een bekende hardheid gemaakt. Door vergelijking van de diameters van beide indrukkingen kan de onbekende hardheid worden bepaald. Hoewel deze methode minder nauwkeurig is dan de Brinell methode is ze praktisch te gebruiken in werkplaatsen en magazijnen. De hamerslag is thans vervangen door een veergestuurde slag. Een moderne(re) uitvoering van dit apparaat wordt verkocht onder de naam Telebrineller

Ultrasonic Contact Impedance (UCI) (Figuur 5.18c) Dit is een elektronisch apparaat waarbij een Vickers indruklichaam via een resonerende staaf met lichte veerkracht tegen het proefstuk wordt gedrukt Naarmate de Vickers diamant verder het proefstuk indringt zal er een verandering van de trillingsfrequentie optreden. Hieruit is een hardheid af te leiden.

Leeb of rebound methode(Figuur 5.18d en e) Een kogel van wolframcarbide wordt met een gedefinieerde veerkracht naar het te meten oppervlak “geschoten”. Het energieverlies van de opstuitende kogel wordt gemeten. In feite worden de snelheden vlak voor (Vi) en na de botsing (Vr) gemeten.

Dit levert de hardheid volgens Leeb: HL =Vr/Vi *1000 Deze waarde kan worden omgezet naar bijvoorbeeld HRC (empirisch!)

Deze methode is afgeleid van de scleroscoop van Shore (Figuur 5.18f) Hierbij wordt de opstuithoogte van een vrij vallend kogeltje of een stift opgemeten. Hoe harder het materiaal, des te hoger de opstuithoogte. Dit is een dynamische hardheidsmeting en de hardheid die hiermee wordt bepaald wordt ook wel de elastische hardheid genoemd. Met ijktabellen, waarin de elasticiteitsmodulus een belangrijke parameter is, kan deze waarde omgezet worden in andere hardheidswaarden

Technische producten zijn bekend onder namen als Equotip en Dynamic

In tegenstelling tot de klassieke scleroscoop kunnen deze apparaten in alle posities worden toegepast.

Through-Intender-Viewing (TIV). (Figuur 5.18g)

Met dit nieuwe draagbare apparaat kan via een optisch systeem en een camera door de diamant van een Vickersdiamant gekeken worden. De indrukking (en het ontstaan ervan) wordt direct zichtbaar gemaakt op een display.


100 Mei 2010

a) Knoop hardheid b) Poldihamer / Telebrineller

c) UCI meetstift

d) Rebound methode (meten van de snelheid) met meetstift en afleesapparatuur)

Figuur 5.18 Verschillende hardheid meetmethodes


Mei 2010 101

e ) moderne rebound stift f) Klassieke scleroscope

g) TIV

Figuur 5.18 vervolg Diverse hardheidsmeetmethoden

Een voordeel van verschillende van deze methodes is, dat ze kunnen worden uitgevoerd in alle posities en dat de achtergebleven indrukking zeer gering is. De meting heeft wel, net als alle andere methoden, een lokale plastische vervorming en dus versteviging van het materiaal tot gevolg. Er dient dus altijd voldoende afstand tussen de meetpunten gehouden te worden, om onderlinge beïnvloeding te voorkomen.

De nauwkeurigheid van de resultaten van al deze methodes verdient wel de nodige aandacht.


102 Mei 2010

5.4.5 Vergelijking tussen verschillende methoden Het verband tussen de verschillende hardheidsschalen voor staal weergegeven in Figuur 5.19.

De hardheid voor Vickers is tot 300 HV gelijk aan die van Brinell (HBS); daarboven treden afwijkingen op als gevolg van de afplatting van de Brinell-kogel. Omdat zowel de Vickers– als de Brinellhardheden de dimensie spanning hebben ligt een relatie met de trekproef voor de hand. Voor staal blijkt dat de hardheden HV en HBS, ongeveer gelijk is aan 0,3 × de treksterkte:, uitgedrukt in N/mm2.

Voorbeeld: 225 HBS10/3000 ≈ Rm = 750 MPa. Geldt voor staal (2250/3=750)

De hier gegeven vergelijkingen en omrekeningen is geldig voor gewoon staal, en niet voor roestvaststaal en non-ferro metalen. Daarvoor zijn andere omrekeningsfactoren beschikbaar.

Deze “omrekening” mag niet als vervanging van de trekproef worden gezien.

Figuur 5.19 Vergelijking tussen de verschillende hardheidsschalen. Alleen geldig voor staal.


Mei 2010 103

5.5 De buigproef De beoordeling van de taaiheid van harde brosse materialen, zoals bijvoorbeeld (wit) gietijzer is met de trekproef niet goed mogelijk. Met de buigproef wordt voor dit soort materialen nog een goed meetbare vervorming verkregen (doorbuiging). Bovendien kan met deze proef vrij nauwkeurig de E-modulus bepaald worden.

Er zijn twee uitvoeringsmogelijkheden, te weten:

• een 3-punts buigproef

• een 4 puntsbuigproef

Hier wordt volstaan met een schema van beide proefuitvoeringen.

De drie-puntsbuigproef heeft ook praktische betekenis bij de beoordeling van lasverbindingen. Daartoe wordt de staaf met las met een voorgeschreven stempel (de doorn) gebogen tot een bepaalde hoek is bereikt, of tot er scheuren optreden (zie Figuur 5.21).

3 punts buigproef 4-punts buigproef

Figuur 5.20 Drie en vierpuntsbuigproef


104 Mei 2010

Figuur 5.21 Voorbeeld van buigstaven van een lasverbinding om te controleren oplasfouten en voldoende taaiheid.

5.6 Kerfslagproef volgens Charpy (NEN-EN 10045-1) In de techniek is de kerfslagproef, naast de trekproef en de hardheidsproef één van de belangrijkste testmethoden. Materialen met dezelfde mechanische eigenschappen en chemische samenstelling kunnen door de fabricagemethoden en verwerking, waaronder lassen, zeer verschillende kerftaaiheidseigenschappen hebben. De kerfslagproef is bijna altijd een geëiste proef.

De kerfslagproef is een dynamische proef; het resultaat is afhankelijk van de snelheid van beproeving, de beproevingstemperatuur en natuurlijk van de geometrie van het proefstaafje en de daarin aangebrachte kerf. De proef is met name van belang bij de beproeving van staal en geeft informatie over de taaiheid van het staal c.q. de algemene kwaliteit van het staal als functie van de temperatuur.

De beproeving is snel, eenvoudig en goedkoop, maar levert geen voor de constructeur hanteerbare rekengrootheden op, dat wil zeggen dat de constructeur aan de hand van de uitkomst van deze proef geen dikte van zijn constructie kan berekenen. De uitkomst geeft alleen een indicatie over de taaiheid en heeft zeggingskracht omdat er al zeer veel ervaring met de uitkomsten is opgedaan.

Er zijn verschillende methoden om kerftaaiheid te meten. De meest bekende toegepaste is die volgens Charpy, die hier verder besproken wordt.


Mei 2010 105

5.6.1 Uitvoering van de proef De proef bestaat uit het in één enkele slag met een slinger breken van een in het midden gekerfde proefstaaf, waarvan de uiteinden worden ondersteund. Men stelt de verbruikte energie in Joule vast. Deze verbruikte energie is een maat voor de taaiheid van de materialen.

Figuur 5.22 Slingertoestel voor de beproeving van Charpy kerfslagstaafjes en positionering van een proefstaafje.

De standaardproefstaaf moet 55 mm lang zijn en een vierkante doorsnede met zijden van 10 mm hebben. Indien de afmetingen van de testplaat een proefstaafbreedte van 10 mm niet toelaat is ook een andere breedte toegestaan; deze breedte dient wel te worden vermeld. De kerf zit in het midden van de lengterichting. Er zijn twee kerfvormen vastgesteld:

• V-kerf met een V- vorm van 45°, 2 mm diepte en een straal van 0,25 mm van de bodem van de kerf;

• U-kerf of sleutelgatkerf met een diepte van 5 mm en een straal van de bodem van de kerf van 1 mm.

Bij de standaardbeproeving wordt een beproevingstoestel (kerfslaghamer) gebruikt met een nominaal arbeidsvermogen van 300 J

Een en ander leidt tot de volgende notatie bij de bepaling van de kerftaaiheid:

KV of KU, aangevende de vorm van de kerf;

indices die aangeven wat het beschikbare arbeidsvermogen is en wat de breedte van de proefstaaf is, indien deze waarden afwijken van de standaard condities.

Als de proefstaaf niet breekt, wordt de gevonden kerfslagenergie genoteerd onder vermelding van “niet gebroken”

NB: andere kerfvormen, dan de hier genoemde twee bestaan nog wel maar zijn niet meer genormaliseerd.


106 Mei 2010

voorbeelden: KV = 120 J nominale arbeidsvermogen 300 J, standaard proefstaaf met V-kerf, verbruikte energie bij breuk 120 J KU150 = 65 J nominale arbeidsvermogen 150 J, standaard proefstaaf met U-kerf, verbruikte energie bij breuk 65 J KV100 / 7,5 = 81 J nominale arbeidsvermogen 100 J, standaard proefstaaf met V-kerf en een breedte van 7,5 mm, verbruikte energie bij breuk 81 J

5.6.2 Invloed van de temperatuur Indien de beproevingstemperatuur niet wordt gespecificeerd voor de van toepassing zijnde producten, dan is deze gelijk aan 23 °C ± 5 °C Indien wel een temperatuur wordt gespecificeerd dan bedraagt de tolerantie ± 2 °C.

De temperatuur heeft vooral bij staal een grote invloed op de kerftaaiheid,

Gewoon ongelegeerd en laaggelegeerd constructiestaal gedraagt zich bros bij lage en taai bij hogere temperatuur. De overgang van bros naar taai is vaak redelijk abrupt, zoals weergegeven in Figuur 5.24. De temperatuur waarbij de taaiheid op 50% van het verschil tussen het niveau bros-taai zit noemt men de overgangstemperatuur. De overgangstemperatuur bij staal ligt, afhankelijk van de zuiverheid +20 °C en - 40 °C, een gebied wat in de praktijk vaak een kritisch gebied is. Door legeren kan de overgangstemperatuur naar veel lagere waarden worden verschoven.

Voor toepassing van staal bij lagere temperaturen dient men dan ook zeker te zijn van voldoende taaiheid.

Indien zeer lage temperaturen voorkomen (bijvoorbeeld vloeibaar stikstof -196 °C), dan is dit gewoon staal niet meer bruikbaar, men dien dan over te gaan op ander materialen, zoals aluminiumlegeringen, austenitisch roestvaststaal, nikkellegeringen etc. De verbrossing heeft te maken met (de vervormbaarheid van) het rooster. Staal heeft een KRG rooster, aluminium en austenitisch roestvaststaal zijn KVG.

5.6.3 Taaie en brosse breuk Als een staafje bros breekt is de kerfslagarbeid laag. Het staafje vervormt dan niet. Het breukvlak ziet er dan korrelig en glinsterend uit. Bij een taai materiaal treedt juist sterkte vervorming op: de kerfslagarbeid is hoog en het breukvlak ziet er fluweelachtig (mat, dof) uit. Vaak vertoont een gebroken staafje kenmerken van beide breuktypen.


Mei 2010 107

Bros Taai

Figuur 5.23 De invloed van de temperatuur op de het breukgedrag van een kerfslagstaafje. Geheel rechts een niet gebroken staafje, dat is beproefd bij hogere temperatuur.

Figuur 5.24 Overgangskromme: kerfslagenergie als functie van de temperatuur voor ongelegeerd staal.

5.6.4 Kerfslagenergie en kerfslagwaarde De resultaten uit de kerfslagproef leveren een energie. We moeten derhalve spreken over de kerfslagenergie of over de kerfslagarbeid. De dimensie is Joule.

Vaak hoort en leest men ook over de kerfslagwaarde. Dit is de kerfslagenergie gedeeld door het oppervlakte van de kleinste doorsnede in cm2. Voor een Charpy-V staaf is de doorsnede 0,8 cm2.

Het is van belang deze twee begrippen niet door elkaar te halen. In de huidige norm wordt het begrip kerfslagwaarde niet meer gehanteerd, maar als men verschillende staafmetingen heeft men de kerfslagwaarde wel nodig om te vergelijken.


108 Mei 2010

5.7 Vermoeiing

In de techniek ondergaan werkstukken vaak een variërende belasting, bijvoorbeeld als gevolg van trillingen door roterende constructieonderdelen etc. We hoeven ook maar te denken aan de belastingen die een vliegtuig ondergaat bij het opstijgen, vliegen in rustige of turbulente omstandigheden en het landen, en dat niet één keer maar zeer vele malen.

Bij een materiaal dat aan zo’n belastingsspectrum wordt onderworpen, kan breuk optreden al is de spanning veel lager dan de treksterkte. In zo’n geval kan het materiaal aan vermoeiing bezweken zijn.

5.7.1 Een vermoeiingsproef Er zijn vele mogelijkheden om de weerstand tegen vermoeiing van een constructie te testen. Soms wordt daarvoor een groot deel van de constructie getest. Een voorbeeld is het testen van de vermoeiing waaraan een vliegtuigvleugel is blootgesteld. Hiervoor wordt een hele vleugel in een speciaal daarvoor ontworpen testbank beproefd: de vleugeltip wordt een meter op en neer bewogen net zo lang dat een levensduur van vele jaren is gesimuleerd.

De belasting die op het materiaal werkt, kan trek, druk, buiging, wringing of combinaties ervan zijn.

Stel we hebben een stalen proefstuk (een as) dat onderworpen wordt aan roterende buiging: het heen en weer buigen wordt door een rotatie bewerkstelligd. In de uiterste vezels aan de onder– en bovenkant heerst dan afwisselend een trekspanning +σA, en een drukspanning -σA. De spanning varieert dus van -σA tot +σA.

De spanning σA is de amplitude; de gemiddelde spanning is nul.

Als de amplitude weinig afwijkt van de treksterkte dan is het aantal wisselingen N dat kan worden uitgevoerd gering: na 100-1000 wisselingen treedt breuk op. Bij kleiner wordende spanning wordt waargenomen dat het aantal wisselingen steeds groter wordt voordat breuk optreedt, totdat een spanning is bereikt waarbij de staaf niet meer breekt. Deze spanning is de vermoeiingsgrens σV. Als σA kleiner is dan σV dan is de levensduur oneindig.

Het verband tussen σ en N is weergegeven in een σ-N kromme (Figuur 5.25); deze kromme wordt de Wöhlerkromme genoemd, naar de Duitse spoorwegingenieur Wöhler, die reeds omstreeks 1860 een dergelijk verband optekende aan de hand van het gedrag van assen van goederenwagons.


Mei 2010 109

Figuur 5.25 Wöhlerkromme Bij staal is er een duidelijke knik waarneembaar, bij aluminium niet.

Bij sommige materialen , zoals bij staal, is de vermoeiingsgrens duidelijk zichtbaar omdat de σ-N kromme bij ongeveer N = 10 6 een knik vertoont. Bij andere materialen zoals bij koper en aluminium is deze knik niet aanwezig en loopt de σ-N kromme veel vloeiender, waardoor er ook geen vermoeiingsgrens kan worden aangegeven.

Het breukvlak bij een vermoeiingsbreuk wordt meestal gekenmerkt door twee verschillend delen

• een vermoeiingsbreukvlak Dit deel is tijdens de belastingswisselingen langzaam gevormd. Het uiterlijk ervan is gewoonlijk vrij glad en vertoont dikwijls opeenvolgende schelpvormige ringen. Meestal is goed te zien waar de breuk is ontstaan: bij een onregelmatigheid aan het oppervlak of bij een fout in het materiaal

• het restbreukvlak Dit deel ontstaat bij het plotseling doorbreken van de rest van de doorsnede en vertoont een normaal uiterlijk.


110 Mei 2010

Vermoeiingsbreukvlak (het rechterdeel is de restbreuk)

Typische vermoeiingsscheurpatroon, zichtbaar bij voldoende vergroting

Figuur 5.26 vermoeiingsbreukvlak

In het voorgaande is uitgegaan van een zuiver wisselende belasting zoals die voorkomt bij roterende buiging. Er zijn echter ook andere vormen van cyclische belastingen, zoals de sprongbelasting, waarbij de spanning varieert tussen 0 en een maximum. De zuiver wisselende belasting en de spongbelasting zijn bijzondere gevallen van vele andere mogelijkheden om de belasting cyclisch te variëren.

Kenmerkend voor de cyclische belasting zijn de volgende grootheden (Figuur 5.27):

• De frequentie

• De spanningsamplitude σa

• De gemiddelde spanning, σm

• de minimale en maximale spanning, σmax en σmin

• de verhouding tussen de minimale en maximale spanning, R

Niet-cyclische belastingen kunnen worden beschouwd als een sommatie van een aantal verschillende cyclische belastingen.


Mei 2010 111

Figuur 5.27 Kenmerken van een cyclische belasting

De Wöhlerkromme is niet zo geschikt voor de constructeur om na te gaan wat de toe te passen spanningen zijn, omdat in dit diagram geen rekening is gehouden met de bovengenoemde kenmerkende grootheden. Voor elke situatie zou een aparte kromme opgetekend moeten worden. Meestal worden de gegeven dan op een andere wijze weergegeven , namelijk in een zogenaamd Goodman-diagram of in een variant daarvan, het Smith-diagram . Deze diagrammen worden hier niet verder besproken.

5.7.2 Invloedsfactoren Vermoeiingsscheuren beginnen vaak op onregelmatigheden op het oppervlak, zoals kerven en krassen, of bij een scherpe overgang in materiaaldikte. Dat komt omdat de werkelijke spanning in het materiaal ter plekke van zo’n kerfje hoger is dan de gemiddelde spanning in de omgeving ervan. Ook materiaalfouten kunnen aanleiding zijn tot vermoeiing. Sterke materialen met een hoge rekgrens zijn kerfgevoeliger, dwz er is eerder kans op vermoeiing. Om een constructie-onderdeel dat aan wisselende belastingen wordt blootgesteld een betere weerstand tegen vermoeiing te geven zijn de volgende maatregelen mogelijk:

• Zo glad mogelijk maken van het oppervlak ( bijvoorbeeld polijsten)

• Aanbrengen van drukspanningen in het oppervlak (mechanisch, door shot peening, of fysisch/chemisch door carboneren of nitreren)

• Zorgen voor een geleidelijke overgang in dikteverschillen (voldoend grote radius)


112 Mei 2010

5.8 Kruip Materialen kunnen ook bezwijken als gevolg van kruip

Men spreekt van kruip als een materiaal bij een constante (statische) belasting beneden de rekgrens toch vervormt. De snelheid waarmee het materiaal vervormt, is in het algemeen zeer klein, maar leidt op den duur toch tot breuk. Door verhoging van temperatuur en/of spanning neemt de kruipsnelheid toe.

Metalen kruipen pas merkbaar als de temperatuur hoog genoeg is; pas als de temperaturen hoger dan ca. 0,4 × smelttemperatuur ( in K) heeft kruip enige technische betekenis. Voor lood (TS = 600 K) betekent dit kruip bij kamertemperatuur, voor staal (TS = 1840 K) bij ruim 400 °C.

Kunststoffen vertonen bij kamertemperatuur vaak sterke kruip. Het mechanisme daarvan is echter heel anders dan bij metalen; daarom worden kunststoffen hier niet besproken. Zie daarvoor hoofdstuk 7.

Kruip van metalen wordt gekarakteriseerd door twee grootheden:

• De kruipsterkte

• De kruipgrens

De kruipsterkte is de spanning die na een bepaalde tijd leidt tot breuk. Meestal neemt uit praktische overwegingen een beperkte tijd, bijv. 10.000 of 200.000 uur en spreekt dan van de 10.000-uurs-sterkte, resp 200.000-uurs-sterkte. Men noemt dit ook wel de tijd tot breuk sterkte. (De echte kruipsterkte zou pas bepaald kunnen worden na een oneindig lange tijd). De kruipgrens is de spanning die in een bepaalde tijd een hoeveelheid blijvende rek veroorzaakt, bijvoorbeeld 0,2% of 1% in 100.000 uur

Figuur 5.28 Kruipkrommes. Bij toenemende spanning en/of toenemende temperatuur verloopt de kruip sneller.

5.8.1 De kruipproef De kruipproef wordt als volgt uitgevoerd: Een proefstaaf wordt met een constant gewicht belast en in een oven


Mei 2010 113

geplaatst. De verlenging van de staaf wordt gedurende de tijd vastgelegd. Omdat het hier om lange tijden gaat wordt bij de verslaglegging de rek als functie van de logaritmische tijd weergegeven. Zie Figuur 5.28.

Uit het resultaat kan men dikwijls drie stadia onderscheiden (zie Figuur 5.29):

• Het primaire of vertragingsstadium. De reksnelheid neemt af.

• Het secundaire of eenparigheidsstadium, waarin de reksnelheid constant blijft

• Het tertiaire of versnellingsstadium, waarin de reksnelheid weer toeneemt, uiteindelijk leidend tot breuk

Als het tweede stadium horizontaal loopt treedt geen breuk op, ook niet na lange tijd: het derde stadium wordt namelijk niet bereikt. Als het tweede stadium niet horizontaal loopt zal vroeg op laat het derde stadium optreden.

Constructies werkend in het kruipgebied worden dikwijls ontworpen voor een lange periode (20-30 jaar). Laboratoriumproeven duren natuurlijk nooit zo lang. Daartoe zou het mooi zijn als de in het laboratorium verkregen resultaten geëxtrapoleerd konden worden. Er bestaan veel empirisch bepaalde extrapolaties, die vaak slechts geschikt zijn voor één materiaal of een kleine materiaalgroep.

Figuur 5.29 Drie stadia van kruip: De lijn A wordt gevolgd als er sprake is van constante belasting (zoals hier is beschreven). Bij constante spanning wordt de lijn B gevolgd.

5.9 Opgaven


114 Mei 2010

1. Een cilindrische trekstang van 20 m lengte moet een kracht doorleiden van 100.000 N. De verlenging mag niet meer bedragen dan 8 mm Er kan een keuzegemaakt worden uit drie materialen: staal, koper en aluminium Gegeven: E-moduli Staal, Cu en Al respectievelijk 2,1×105, 1,2×105 en 0,7×105 MPa Soortelijke massa’s: Staal, Cu en Al respectievelijk 7800, 8900 en 2700 kg/m3. Gevraagd

a. Wat is de benodigde dikte in de drie uitvoeringen?

b. Welke uitvoering zou leiden tot het laagste gewicht?

c. Hoe groot in elke uitvoering de spanning?

d. Als gegeven is dat de spanning in het staal niet hoger mag zijn dan 120 MPa , in koper 80 MPa en in Al 70 MPa welke uitvoering is dan het lichtst? (Er geldt dan uiteraard geen eis betreffende de beperkte verlenging)

Oplossing

Voor het elastische gebied geldt de wet van Hooke σ = E.ε

Dit wordt herschreven tot

ELLFS

LLE

SF

oo ⋅∆

⋅=⇔

∆⋅=

Voor staal rekenen we dan uit S0 = 1190 mm2 dus d = 38.9 mm voor koper S0 2083 mm2 , d =51,5 mm; voor aluminium S0 = 3571 mm2 , d = 67,4 mm

Massa’s: Staal: 186 kg, Cu 371 kg en Al 193 kg

Spanningen (σ = F/S0): Staal 84 MPa, koper 48 MPa , en Al 28 MPa

Uit de wet van Hooke rekenen we nu nieuwe oppervlakken uit: voor staal, Cu en Al wordt dit resp. 833, 1250 en 1428 mm2, waaruit nieuwe massa’s volgen: 13 , 223 resp. 77 kg

In vraag a) waren de eisen gesteld aan de maximale verlenging: ontwerp op stijfheid

in vraag d) waren de eisen gesteld aan de maximale spanning: ontwerp op sterkte

2. Laat grafisch zien dat het kracht - verlengingsdiagram (F-N) afhankelijk is van de afmetingen van de staaf

3. Een stalen staaf met een meetlengte van 100 mm en een diameter Ø10 mm wordt aan een trekproef onderworpen Bij een belasting van 16,5 kN is de verlenging 0,1 mm De staaf begint te vloeien bij een belasting van 22 kN De maximale belasting is 33 kN


Mei 2010 115

Nadat de staaf gebroken is, wordt de kleinste diameter gemeten (7 mm) en de meetlengte van de tegen elkaar geplaatste staafdelen (125 mm) Gevraagd: E-modulus, vloeigrens, treksterkte, insnoering, breukrek en ware spanning bij breuk

4. In Figuur 5.30 is een spanning-rek diagram van messing weergegeven. Bereken hieruit:

a. De Elasticiteitsmodulus.

b. De 0,2% rekgrens (Rp02)

c. De maximum belasting die een staaf met een ronde diameter van 15 mm kan hebben.

d. De lengteverandering van een 250 mm lage staaf, bij een belasting van 350 MPa.

Figuur 5.30


116 Mei 2010

Hogeschool Utrecht Staal, een inleiding

Mei 2010 117

6. Staal, een inleiding

6.1 Inleiding IJzer is het meest toegepaste metaal. Hoewel aluminium in grotere hoeveelheden in de aardbodem voorkomt zijn er een aantal redenen op te noemen voor de wijdverbreide toepassingen van ijzer en ijzerlegeringen. Niet in de laatste plaats vanwege de kostprijs: er is heel wat minder energie nodig om ijzer uit zijn ertsen te winnen, dan om aluminium te bereiden.

Zuiver ijzer wordt in de techniek als constructiemateriaal niet gebruikt; daarvoor is het te zacht en heeft het een veel te lage sterkte. Daarnaast kunnen door legeren ook andere bijzondere eigenschappen worden verkregen, zoals roestvastheid, bestandheid tegen hogere temperatuur, dan wel lagere temperuur, slijtage enzovoorts.

In dit hoofdstuk beperken we ons tot eenvoudige ijzerlegeringen, en wel in het bijzonder tot de legeringen van ijzer met (een klein beetje) koolstof, staal of gietijzer, afhankelijk van de hoeveelheid koolstof.

6.2 IJzerlegeringen Bij de bereiding van ijzer uit zijn ertsen wordt onder andere cokes gebruikt, waardoor koolstof in het ijzer wordt opgenomen. Dit is op zich niet nadelig. Het heeft wel een paar belangrijke effecten:

1. Het smeltpunt wordt verlaagd. Hiervan maakt men gebruik in gietijzer

2. De sterkte neemt toe

Praktische ijzerlegeringen bevatten altijd koolstof. Daarnaast zijn er ook altijd andere elementen aanwezig; sommige als begeleidende verontreinigingen, andere als toevoeging om schadelijke verontreinigingen onschadelijk te maken.

Er kunnen ook elementen toegevoegd worden om speciale eigenschappen te bewerkstelligen. In dat geval spreken we van gelegeerd staal Tot op zekere hoogte schadelijke elementen zijn zwavel, fosfor, stikstof, zuurstof. Om de invloed hiervan minder schadelijk te maken voegt men bij de staalbereiding mangaan, silicium, calcium en of aluminium toe Koolstof kan in ijzerlegeringen op drie manieren aanwezig zijn.

1. Opgelost in het ijzerrooster. Koolstof is in ijzer interstitiëel opgelost. De oplosbaarheid hangt af van de structuur (zie 6.3). Bij kamertemperatuur is de oplosbaarheid uiterst gering.


118 Mei 2010

2. Als verbinding met ijzer De koolstof vormt het carbide Fe3C, dat cementiet wordt genoemd. In de structuur is dit terug te vinden als een harde uitscheiding.

3. Als vrije koolstof In dit geval vindt men de koolstof als –zwarte grafiet terug in de structuur. Deze situatie komt eigenlijk alleen voor als er veel koolstof aanwezig is (2,5 tot 4%).

Figuur 6.1 IJzer-koolstof diagram De doorgetrokken lijnen hebben betrekking op het metastabiele Fe-Fe3C diagram De onderbroken lijnen gelden voor het stabiele systeem Fe-C. (de streeplijn bij 770 °C geeft het Curiepunt aan: hierboven is het materiaal niet meer magnetisch)


Mei 2010 119

6.3 Staal of gietijzer

6.3.1 Staal Staal is een ijzer-koolstoflegering waarin zoveel C aanwezig is dat het nog goed vervormbaar is (wals/smeedbaar bij hogere temperatuur, in het homogene fasegebied ). In de praktijk betekent dit maximaal 1,5% C.

De koolstof die niet oplosbaar is in het ijzerrooster, scheidt zich uit en vormt het carbide Fe3C (cementiet). In staal komt geen vrije koolstof voor.

Het systeem ijzer-koolstof waarin de koolstof als cementiet voorkomt noemt men metastabiel.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen ongelegeerd en gelegeerd staal Ongelegeerd staal bevat ook kleine hoeveelheden van andere elementen, namelijk verontreinigingen –die vaak schadelijk zijn– en bijmengsels, die toegevoegd zijn om schadelijke elementen onschadelijk te maken.

In gelegeerd staal zijn andere elementen toegevoegd teneinde speciale eigenschappen te bewerkstelligen, zoals hogere sterkte en corrosievastheid. De meest voorkomende legeringselementen zijn Cr, Ni en Mo, maar Mn, Si, W, V, Al, Ti en nog vele andere worden ook toegepast, meestal in combinatie met elkaar.

De eigenschappen van staal worden in hoge mate bepaald door de hoeveelheid koolstof. Hoe meer C, des te sterker, harder, slijtvaster en brosser het materiaal wordt. Echter ook de structuur, die door een warmtebehandeling kan worden veranderd, heeft hierop een grote invloed.

Op grond van het koolstofgehalte verdeelt men staalsoorten vaak in drie groepen, te weten

1. Constructiestaal, met max. 0,3% C

2. Machinestaal, met 0,3 > C > 0,6%

3. Gereedschapsstaal, met >0,6% C

Hoewel deze indeling erg grof is, is ze bruikbaar. Een andere, wat nauwkeurigere indeling is weergegeven in Tabel 6.1. De indeling wil echter niet zeggen dat een staal, dat ingedeeld is als gereedschapstaal, niet gebruikt kan worden als machinestaal, zoals bijvoorbeeld de legering 100Cr6 die 1 % C en 1,5% Cr bevat en o.a wordt toegepast als materiaal voor kogels in kogellagers.


120 Mei 2010

Groep C gehalte (gew %) Soort en toepassingen

Groep I

Vervormings-staal

0.02-0.15 koud vervormde bekervormige producten

0.08-0,25 koud en warm gewalste platen

0,12-0,25 warm vervormde producten bijv. voor stoomturbines, drukvaten, koelmachines

Groep II

Constructie-staal

0,25-0,50 warm vervormde producten als drijfstangen, krukassen, bouten, moeren

0,10-0,25 met diverse technieken wordt het koolstofgehalte aan het oppervlak verhoogd zodat een materiaal met een taaie kern en een harde slijtvaste buitenlaag wordt verkregen toegepast in bijv. scharnieren, tandwielen, assen enz.

0,20-0,7 veredelingsstaalsoorten die afhankelijk van het C-gehalte en de overige legeringselementen, worden toegepast in machine- en apparatenbouw.

Op veredelen wordt in §6.4.3.3 nader ingegaan.

Groep III

Gereedschaps-staal

0,6 -0,9 Slag- en stoot gereedschap

0,9 -1,2 Snijgereedschap

1,2 -1,5 meetgereedschap

0,85-1,10 kogellagerstaal

Tabel 6.1 Staalsoorten en toepassingen.

6.3.2 Gietijzer Gietijzer bevat 2,5 tot ca. 4,5 % C. Dit is zoveel dat het niet meer smeedbaar is. Het is te bros, ook bij hoge temperatuur. Door deze hoeveelheid C is het smeltpunt van ijzer flink gedaald, tot bijna 1150 °C bij 4,3% C (het eutecticum). Het is nu goed gietbaar geworden.

De koolstof, die in gietijzer aanwezig is, en niet is opgelost in het ijzerrooster, kan zich uitscheiden als cementiet, als grafiet of als beide. Als de koolstof zich uitscheidt als cementiet, spreekt men van wit gietijzer. Dit is hard, zeer slijtvast en erg bros.

Als er grafiet gevormd wordt, ontstaat er grijs gietijzer. Dit is veel minder hard en slijtvast en kan ook minder bros zijn.

Het ijzer-koolstofsysteem waarin C zich uitscheidt als grafiet, noemt men het stabiele systeem. In veel gietijzersoorten komt zowel grafiet als cementiet voor; in zo’n geval begint de stolling van materiaal stabiel, maar gaat bij verdere afkoeling over in een metastabiele stolling.


Mei 2010 121

De vorm van de grafiet is ook van belang voor de eigenschappen. Als de grafiet er plaatvormig uitziet, zal de taaiheid laag zijn omdat de grafiet zich gedraagt als “scheurtjes” in het ijzer (Figuur 6.2b). De koolstof kan zich ook –onder invloed van toevoeging van bijvoorbeeld magnesium vlak voor het uitgieten– uitscheiden als bolletjes grafiet (zogenaamd nodulair gietijzer, Figuur 6.2a), waardoor de taaiheid aanmerkelijk toeneemt. De grondmassa kan uit verschillende structuren bestaan.

Bijzondere vermelding verdient het smeedbare gietijzer. Dit is gietijzer, dat zo lang gegloeid is, dat er heel veel koolstof uit verdwenen is (verbrand). Het krijgt nu eigenschappen die horen bij dat van staal (lasbaar, taai en sterk). Dit procédé past men toe voor de massaproductie van niet te dikke ingewikkelde (gietbare) vormen.

In dit dictaat gaan we niet verder in op gietijzer.

A B

Figuur 6.2 Grijs gietijzr A: nodulair ferrittisch; B: lamellair perlitisch (gewoon grijs gietijzer)

6.3.3 Gietstaal Er bestaat ook gietstaal. Dit is in de eerste plaats staal (het heeft de samenstelling van staal), maar omdat het gebruikt wordt om een gietstuk te realiseren, wordt het niet gewalst. Daardoor heeft het nog een typische gietstructuur.


122 Mei 2010

6.4 Staalstructuren IJzer vertoont allotropie, zoals reeds in hoofdstuk 2.6 is vermeld. Vooral de faseovergang bij 912 °C van het KVG rooster (gamma ijzer, γ) naar het KRG rooster (alfa-ijzer,α) is daarbij van grote praktische betekenis.

Als er koolstof aanwezig is gaat de temperatuur van de fasetransformatie langs de lijn GS naar beneden en bereikt een minimum waarde bij 727 °C en 0,77% C. Beneden 727 °C bestaat er in een zuivere ijzer-koolstoflegering –in evenwichtstoestand– geen austeniet meer in

De oplosbaarheid van C in KVG is vrij groot maximaal 2 gew.% bij 1150 °C; bij 727 °C lost er nog 0,77%C op. De oplosbaarheid van C in KRG is laag: maximaal 0,022% bij 727 °C tot nihil bij kamertemperatuur.

Koelt men staal met minder dan 0,02% koolstof af vanuit het austenietgebied dan ontstaat ferriet (zie Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.).

Koelt men staal met meer dan 0,02% koolstof af vanuit het austenietgebied dan ontstaan er meerdere structuren. Afhankelijk van het koolstofgehalte ontstaat dan ferriet met perliet (zie Figuur 6.4) of cementiet met perliet.

Austeniet of γ:

KVG staalstructuur; Samenstellingen en temperaturen waarbij deze structuur stabiel is noemt men het austenietgebied.

Ferriet of α

KRG staalstructuur; Ferriet is bijna zuiver ijzer.

Karakteristie KVG structuur van austeniet Karakteristieke KRG structuur van ferriet

Figuur 6.3 Staalstructuren van austeniet en ferriet


Mei 2010 123

We zullen nu aan de hand van drie samenstellingen kijken naar de structuren die ontstaan door af te koelen vanaf en temperatuur vanuit het austenietgebied.

1. Het koolstofgehalte is 0,77% Koelt men af tot beneden 727 °C dan moet bijna alle koolstof uit het rooster weg; in ferriet is immers maar 0,022%C oplosbaar. De koolstof scheidt zich uit als cementiet. Er ontstaat nu uit de ene fase austeniet twee andere fases ferriet en cementiet, die een laagjesstructuur van afwisselend ferriet en cementiet vormen. Deze structuur wordt perliet genoemd Dus: γ→ α +Fe3C

Perliet Staalstructuur die bestaat uit afwisselende laagjes ferriet en cementiet (zogenaamd

lamellair eutectoïde van α en Fe3C)

2. Het % C ligt tussen 0,02 en 0,77. Bij het passeren van de lijn GS begint er ferriet te ontstaan uit de austeniet (een omzetting in de vaste stof). Omdat koolstof in de ferriet nagenoeg onoplosbaar is, blijft de koolstof dus in de austeniet achter. De austeniet gaat dus gaandeweg meer koolstof bevatten. Bij 727 °C aangekomen, zal de austeniet 0,77% C bevatten. De omzetting hiervan verloopt zoals onder 1) is beschreven Er is dus een structuur ontstaan van ferriet en perliet.


124 Mei 2010

3. Het % C ligt tussen 0,77 en 1,5%. Nu zal bij een afkoeling vanuit het austenietgebied bij het passeren van de lijn SE eerst cementiet ontstaan. De lijn SE geeft immers de begrenzing van de oplosbaarheid van C in austeniet aan. Deze cementiet bevat veel koolstof, waardoor de overgebleven austeniet juist armer aan koolstof wordt. Bij 727 °C aangekomen, zal de austeniet 0,77% C bevatten. De omzetting hiervan verloopt zoals onder 1) is beschreven Er is dus een structuur ontstaan van cementiet en perliet.

Staal met 0,3% C Staal met 0,6% C

Figuur 6.4 Ferriet-perlietstructuur (structuur ontstaat bij rustig afkoelen in lucht)


Mei 2010 125

6.5 Warmtebehandelingen van staal De structuren die in het vorige hoofdstuk zijn beschreven zijn structuren die ontstaan door staal in rustige lucht te laten afkoelen. Dit is een in de praktijk voorkomende situatie: na het gieten en walsen van platen en staven koelt het staal af op grote rollenbanen.

Het is ook mogelijk een warmtebehandeling uit te voeren.

Een warmtebehandeling is een manipulatie die tot doel heeft het materiaal betere mechanische of chemische eigenschappen te bezorgen. Een warmtebehandeling bestaat altijd uit drie stappen:

− Opwarmen naar een zekere temperatuur met een bepaalde snelheid

− Enige tijd op temperatuur houden

− Afkoelen naar kamertemperatuur met een bepaalde snelheid

En warmtebehandeling gaat vaak gepaard met structuurveranderingen die vooral bij staal door de allotropie, nogal groot kunnen zijn.

Achtereenvolgens worden behandeld:

Normaalgloeien

Spanningsarmgloeien

Harden

Veredelen

Andere warmtebehandelingen, zoals zachtgloeien, rekristalliserend gloeien, oplosgloeien enz. worden hier niet besproken.

6.5.1 Normaalgloeien Bij deze warmtebehandeling wordt het materiaal langzaam opgewarmd tot ca 50 °C boven de lijn GS (dus net tot in het austenietgebied) en na ca 30 minuten weer afgekoeld in rustige lucht. De structuur die dan ontstaat, is reeds beschreven en is normaal voor het staal, vandaar normaalgloeien. Het doel van deze warmtebehandeling is het verkrijgen van een fijnkorrelige structuur. De taaiheid en de rekgrens worden hierdoor verbeterd. De korrelverfijning wordt veroorzaakt door de faseovergang: één keer bij opwarming en één keer bij afkoeling. Alle structuurveranderingen die door lassen, gieten, koudvervormen of anderszins zijn ontstaan en ongewenst zijn, kunnen door normaalgloeien worden opgeheven (behalve chemisch aangetaste (verbrande) structuren).

Normaalgloeien wordt zelden toegepast bij staalsoorten met meer dan 0,8% C.

De warmtebehandeling verloopt als volgt:


126 Mei 2010

• Opwarmen tot ca 50 °C boven de lijn GS(K)

• Ca 30 min op deze temperatuur houden

• Afkoelen in rustige lucht, of tot ca 600 °C in de oven

Figuur 6.5 Schematische voorstelling van het normaalgloeiproces.

Bij het opwarmen van één korrel perliet ontstaan meerder korrels austeniet en omgekeerd ook.

6.5.2 Spanningsarm gloeien Spanningsarm gloeien is een warmtebehandeling met als doel de inwendige spanningen die in een materiaal zitten als gevolg van een voorafgaande bewerking (lassen, vervormen, …) te verlagen.

Voor staal wordt deze warmtebehandeling als volgt uitgevoerd:

• Opwarmen tot 450-650 °C

• Gloeitijd 30 min tot enkele uren, afhankelijk van de afmetingen

• Langzaam afkoelen, vaak in een oven (anders ontstaan er weer spanningen

De temperatuur mag niet te hoog worden daar er anders structuurveranderingen optreden. En dat mag niet. Wat er gebeurt in het materiaal is reeds beschreven in hoofdstuk 3.3.1. Door de temperatuurverhoging daalt de rekgrens. De spanningen in het materiaal die hoger zijn dan de rekgrens worden omgezet in plastische vervorming.

6.5.3 Harden Als staal wordt verhit tot in het austenietgebied en snel wordt afgekoeld (bijvoorbeeld door onderdompelen in koud water) kan de omzetting van austeniet naar ferriet via diffusie, zoals dat bij normaalgloeien plaats vindt, niet meer optreden. Er is wel een ander mogelijkheid voor de overgang van γ naar α, namelijk zonder diffusie, via een proces dat “omklappen” genoemd wordt. De austeniet, waar de koolstof in is opgelost veranderd door dit omklapproces in een soort ferriet. De koolstof die in de austeniet zat zit nu dus ook in de ferriet, waar het helemaal niet in past. De dislocatiedichtheid is hierdoor ook heel hoog. Dit veroorzaakt een toename van de hardheid, die groter wordt, naarmate er meer C in het staal zit en bereikt een maximale hardheid bij ca 0,8% C.


Mei 2010 127

De structuur die door deze diffusieloze transformatie ontstaat wordt martensiet genoemd.

De veranderingen van de eigenschappen door martensietvorming zijn:

− Toename van de hardheid en sterkte

− Afname van de taaiheid

− Vervorming en volumeveranderingen

De toegenomen hardheid en sterkte is vooral van belang bij staal voor machineonderdelen (assen, bouten, kleppen) en bij gereedschap. Echter de taaiheid kan zo laag worden, dat een werkstuk spontaan scheurt door de eigen inwendige spanningen. Daarom moet een werkstuk dat is afgeschrikt direct ontlaten worden.

Martensiet De structuur die ontstaat als een diffusieloze fasetransformatie in de vaste stof.

Komt voor bij veel legeringen. De sterkte en hardheid hoeven hierbij niet noemenswaardig te veranderen. Bij staal neemt door de transformatie de hardheid wel toe, afhankelijk van het koolstofgehalte.

Ontlaten: Een gloeibehandeling (opwarmen, 1 uur op temperatuur en rustig afkoelen) met als doel de taaiheid van het materiaal te verbeteren en de grootst inwendige spanningen weg te nemen. Het lijkt in dat opzicht op spanningsarm gloeien.

Staalgroep Toepassingstemperatuur / toepassing Ontlaattemperatuur

Ongelegeerd en laaggelegeerd gereedschapsstaal

Koudwerkend Kamertemperatuur tot max100 °C steenbeitels, slagletters

150- 200 °C

Hooggelegeerd gereedschapsstaal

Warmwerkend Verhoogde temperatuur tot 700 °C verspaningsgereedschap, spuitgietmatrijzen

450-650 °C

Machinestaal Beperkt bij hogere temp. Assen, spieën krukassen, tandwielen

450-650 °C

Tabel 6.2 Ontlaattemperatuur als functie van de staalsoort en toepassing.

Ontlaten kan op verschillende temperaturen. Meestal komt het neer op een keuze tussen twee temperatuurgebieden (zie tabel Tabel 6.2)

• 150-200 °C voor ongelegeerd en laaggelegeerd gereedschapsstaal: hardheid is dan nog zeer hoog.

• 450-650 °C voor hooggelegeerd gereedschapsstaal. De hardheid wordt eerst lager, maar neemt dan weer toe als gevolg van precipitatie van legeringselementen en carbiden.( secundaire harding).

• 450-650 °C voor machinestaal (meestal laaggelegeerd). De taaiheid en sterkte zijn dan goed.


128 Mei 2010

Secundaire harding

Toename van de harding bij het ontlaten van hooggelegeerd gereedschapsstaal

Na het afschrikken en ontlaten is het volume van het werkstuk groter dan voor de warmtebehandeling. Door de overgang ferriet austeniet treedt een volumeverkleining op, door de overgang austeniet martensiet treedt een volumevergroting op, die groter is dan de eerdere verkleining, als gevolg van de opgesloten koolstof.

De warmtebehandeling harden van ongelegeerd staal is:

• Opwarmen tot ca 50 °C boven de lijn GSK

• Ca 20 min (10 + 5 min per cm/materiaaldikte)

• Afschrikken bijvoorbeeld in water opdat er martensiet ontstaat

• Ontlaten op een geschikte temperatuur, maar in ieder geval beneden de omzetting naar een andere structuur. Ontlaatduur 30 min tot 1 uur

Figuur 6.6 Martensietstructuur Figuur 6.7 Hardheid van staal als functie van het koolstofgehalte. (voor ontlaten)

Ongelegeerd staal Hooggelegeerd staal, gelegeerd met carbidevormers, Cr, W, Mo en V vertonen een hardheidstoename rond

500 °C als gevolg van de vorming van precipitaten.

Figuur 6.8 Hardheidsverloop als functie van de ontlaattemperatuur. De toename bij het gelegeerde staal (rechts) wordt secundaire harding genoemd.


Mei 2010 129

6.5.4 Veredelen Veredelen is een andere naam voor de warmtebehandeling harden van machinestaal. De ontlaattemperatuur is daarbij 450-650 °C. Bij die hoge temperatuur verdwijnt er veel koolstof uit het martensietrooster en vormt fijne ronde cementiet. De martensiet wordt zachter (“vervaagd” ook letterlijk), en zeer taai.. Met deze warmtebehandeling kan –ten opzichte van normaalgegloeid staal– een aanzienlijke verhoging van de sterkte en hardheid verkregen worden met behoud van een goede taaiheid.

De warmtebehandeling veredelen van ongelegeerd staal is:

• Opwarmen tot ca 50 °C boven de lijn GSK

• Afschrikken bijvoorbeeld in water opdat er martensiet ontstaat

• Ca 20 min (10 + 5 min per cm/materiaaldikte)

• Ontlaten 30 min tot 1 uur bij 450-650 °C

6.5.5 Hardbaarheid Om effectief harding te krijgen is minstens 0,25% C nodig Met minder C in het staal krijgt men wel martensiet, maar deze is niet zo hard

Staalsoorten met minder dan ca. 0,25% C zijn derhalve niet hardbaar. Het blijkt dat deze juist wel lasbaar zijn: bij het lassen ontstaat dan geen brosse martensiet. Lasconstructies zal men niet willen of kunnen ontlaten.

Door legeren van staal met andere elementen (Cr, Ni, Mo,…) blijkt de afkoelsnelheid die nodig is om martensiet te krijgen, omlaag te gaan. Het wordt dan mogelijk om martensiet te krijgen door afkoeling in olie of zelfs lucht. Als men dergelijke legeringen zou willen normaalgloeien dan dient de afkoeling dienovereenkomstig langzamer te verlopen ( bijvoorbeeld in een afkoelende oven).

6.6 Gelegeerd staal Hoewel staal al een veelzijdig toepassingsgebied kent, zijn er heel veel eigenschappen die niet met ongelegeerd staal gerealiseerd kunnen worden.

Enkele van die eigenschappen zijn:

1. Verbetering van de taaiheid (kerfslagwaarde) bij lage temperatuur. Ongelegeerd staal wordt bij temperaturen beneden –20 °C bros. Door legeren met verschillende elementen brengt men deze temperatuur omlaag. Vooral Ni heeft een groot effect: bij 9% Ni is het staal voldoende taai bij –196 °C (vloeibaar stikstof)

2. Verbetering van de hardheid bij hogere temperatuur (400-700 °C). Gewoon staal wordt zacht (denk aan het ontlaten). Door legeren met vooral Cr, W, Mo en V kunnen in gereedschapsstaal zeer slijtvaste en


130 Mei 2010

stabiele carbides gemaakt worden (snijgereedschap, matrijzen, stempels).

3. Verhoging van de slijtvastheid Door legeren met Cr, en W zijn (zeer) harde en carbides te maken, die voor hoge slijtvastheid zorgen.

4. Verbetering van de corrosiebestendigheid. Ongelegeerd staal roest gemakkelijk. Door legeren met Cr (>12%) is het materiaal roestbestendig geworden. Het C-gehalte is dan in het algemeen wel erg laag (<0,03%). Dit noemt men ferritisch roestvaststaal Toevoeging van Ni of Ni en Mo aan dit materiaal maakt de structuur austenitisch. Dit is nog beter bestand tegen corrosie.

5. Verbetering van de doorharding. Als men ongeleerd staal gaat harden dan blijkt de diepte in het werkstuk tot waarop harding optreedt (= voldoende martensiet gevormd wordt) slechts enkele mm te zijn. Dit komt omdat de afkoelsnelheid dieper het materiaal in steeds minder wordt. Voor zware assen, tandwielen, matrijzen enz, is dat onvoldoende. Door legeren met Cr, Ni en Mo kan deze diepte aanmerkelijk worden vergroot. De afkoelsnelheid die nodig is om martensiet te vormen wordt door legeren lager.

De functie van verschillende legeringselementen hangt sterk af van de hoeveelheid koolstof, en van de aanwezigheid van andere elementen. Zo is de invloed van Cr in staal met 1% C totaal anders dan in staal met 0,05% C en heeft Mo in gereedschapsstaal een totaal andere functie dan in roestvaststaal.

Het aantal soorten ongelegeerd staal is vrij beperkt: niet veel meer dan enkele tientallen. Van gelegeerd staal zijn er misschien wel 1000 soorten op de markt. Met het nauwkeurig omschrijven van de gewenste eigenschappen kan een deskundige toch vrij nauwkeurig een juiste keus maken.

Het gebeurt echter vaak dat constructies falen als gevolg van een voor de toepassing niet optimaal materiaal. Verbeteringen aan het materiaal of wijzigingen aan de constructie kunnen dan een oplossing bieden.

Hogeschool Utrecht Non-ferro: Al

Mei 2010 131

7. Non ferro metalen

7.1 Inleiding

Non-ferro metalen zijn metalen (metaallegeringen) waarin ijzer niet als basiselement aanwezig is. Er zijn zelfs veel non-ferrometalen waarin helemaal geen ijzer voorkomt.

Het aantal non-ferrometalen en –legeringen is zeer groot. Het is de bedoeling hier een paar veel gebruikte legeringen te kort bespreken.

7.1.1 Waarom non-ferro metalen De keuze van een materiaal voor een bepaalde toepassing is een complex geheel. In het kort komt het neer op de vraag: Kan ik tegen zo laag mogelijke kosten voldoen aan de eisen van die toepassing? In feite is de vraag waarom een bepaald materiaal gebruikt wordt een puur economische. Daarbij spelen de volgende factoren een rol:

• de verkrijgbaarheid van het materiaal

• de vorm, of het ontwerp van het product

• de mogelijke fabricagetechniek

• de aard van het gebruik

• de mogelijkheden tot hergebruik

• milieu-aspecten bij winning en gebruik

Naast het gebruik van metalen moet bij een materiaalkeuze natuurlijk ook de toepassing van kunststoffen, keramiek, hout, beton en dergelijke overwogen worden. Omdat dit hoofdstuk zich beperkt tot metalen kan de vraag iets specifieker worden: Kan ik mijn constructie maken van ongelegeerd staal? Zo nee, waarom niet en wat zijn de alternatieven? Die alternatieven kunnen zijn: gelegeerd staal of non-ferro metalen.

Het is dus van belang de toepassingsmogelijkheden van non-ferro metalen als constructiemateriaal te kennen.

In dit dictaat zullen we ons beperken tot (de legeringen van) aluminium


132 Mei 2010

7.1.2 Indeling van de metalen Van de in de natuur voorkomende elementen kunnen er ongeveer 70 tot de metalen worden gerekend. Hiervan hebben de meeste industriële toepassing gevonden. Als constructiemateriaal zijn er veel minder toepasbaar.

Figuur 7.1 Relatieve aanwezigheid van enkele elementen in de aardkorst

Sommige metalen zijn overvloedig in de aardkorst aanwezig, terwijl andere, vaak ook zeer nuttige zeer zeldzaam zijn (zie tabel 7.1)

Metalen als Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn en Fe komen in zuivere toestand voor of zijn in een gemakkelijk reduceerbare verbinding aanwezig. De toepassing van deze metalen is reeds zeer oud. Andere metalen zoals Al, Mg en Ti, zijn moeilijk uit hun erts te bereiden en hebben pas in de 20e eeuw industriële toepassing gekregen.

Al Cr Cu Fe Mn Mo Ni Si Sn Ti W Zn

voorkomen in %

8 3. 10-2 1.10-2 4 9.10-2 7.10-4 2.10-2 26 6.10-4 0.5 6.10-3 2.10-3

Tabel 7.1 Aanwezigheid van enkele elementen.

Bij een vergelijking van de eigenschappen van metalen vallen enkele karakteristieke eigenschappen op:

• De soortelijk massa; De grens tussen lichte metalen en zware metalen ligt bij een soortelijke massa van < 4,5

• Het smeltpunt; Daarin worden laag–, hoog– en zeer hoogsmeltende metalen onderscheiden.

• Corrosievastheid; Er zijn edele en onedele metalen.

Deze indeling is weergegeven in tabel 7.2.

In tabel 7.3 is een overzicht gegeven van enkele fysische eigenschappen van elementen. Daarbij zijn elementen met hoge en met lage waarden bij elkaar gezet.

In tabel 7.4 is van een aantal elementen de roosterstructuur, de dichtheid en het smeltpunt getoond.


Mei 2010 133

Laag smeltend Ts<1000 °C

Hoog smeltend Ts 1000-2000 °C

Zeer hoog smeltend Ts> 2000 °C

Lichte metalen soortelijke massa < 4500 kg/m3

Mg, Al Be, Ti -

Zware metalen soortelijke massa > 4500 kg/m3

Sn, Pb, Bi, Zn, Sb, Hg

Cu, Ni, Co, Fe Cr, Mn, V Ag, Au, Pt

W, Mo, Ta, Nb Ir,Os

Tabel 7.2 Indeling van metalen naar soortelijke massa en smeltpunt (cursief de edele metalen).

Eigenschap Lage waarden Hoge waarden W 4,6 Zn 39.6 Uitzettingscoëfficiënt (/°C) Mo 4.86 Pb 29.3 Fe = 11,8 Cr 6.12 Mg 27.1 Ti 8.3 Al 23.5 Mn 0.08 Ag 4.3 Warmtegeleidings coëff. (W/cm.°C) Ti 0.22 Au 3.2 Fe = 0,80 Sn 0.67 Cu 4.0 Al 2.4 Ag 1.59 Si >100000 Soortelijke weerstand (µΩ cm) Cu 1.69 C 1000 Fe = Au 2.66 Mn 160 Al 2.44 Ti 42 Sn 323 C 3726 Smeltpunt ( °C) Pb 327 W 3420 Fe = 1538 Zn 419 Ta 2996 Mg 651 Mo 2610 Mg 1.74 Ir 22.55 Soortelijke massa (g/cm3) Si 2.33 Pt 21.02 Fe = 7,85 Al 2.70 W 19.3 Ti 4.54 Au 19.2

Tabel 7.3 Vergelijking van enkele fysische eigenschappen van enkele belangrijke zuivere metalen. (het zijn niet de laagste, resp. hoogste waarden!)

Kijk voor deze en andere eigenschappen eens op http://www.webelements.com

http://www.webelements.com/


134 Mei 2010

Naam

symbool at. nr. rooster s.m. kg/m3

smeltpunt °C

Aluminium Al 13 kvg 2700 660

Antimoon Sb 51 romb. 6600 630

Beryllium Be 4 hdp 1850 1289

Bismut Bi 83 romb. 9800 271

Cadmium Cd 48 hdp 8650 321

Calcium Ca 20 kvg 1530 842

Chroom Cr 24 krg 7190 1863

Goud Au 79 kvg 19280 1064

IJzer Fe 26 krg en kvg 7850 1538

Silicium Si 14 kub. dia 2330 1414

Kobalt Co 27 hdp 8800 1495

Koper Cu 29 kvg 8900 1083

Lood Pb 82 kvg 11870 327

Magnesium Mg 12 hdp 1740 650

Mangaan Mn 25 kub. 7470 1246

Molybdeen Mo 42 krg 10220 2623

Koolstof C 6 dia / hex 2270 3826

Nikkel Ni 28 kvg 8910 1455

Niobium Nb 41 krg 8580 2469

Platina Pt 78 kvg 21440 1769

Tin Sn 50 trg 7290 232

Titaan Ti 22 krg en hdp 4510 1670

Vanadium V 23 krg 6090 1910

Wolfram W 74 krg 19250 3422

Zilver Ag 47 kvg 10490 961

Zink Zn 30 hdp 7130 420

Zirkoon Zr 40 krg en hdp 6510 1855

Tabel 7.4 Overzicht van enkele fysische eigenschappen van de belangrijkste metalen.

7.2 Aluminium en aluminiumlegeringen

Aluminium is het meest in de aardkorst voorkomende metaal: met 8% komt het op de derde plaats, na zuurstof en silicium. Daarbij bezit aluminium een aantal zeer aantrekkelijke eigenschappen, waardoor er veel toepassingen zijn.


Mei 2010 135

Wereldwijd wordt thans ongeveer 35 miljoen ton nieuw Al geproduceerd. In Nederland wordt ca. 275.000 ton nieuw en 90.000 ton gerecycled Al gemaakt. Het eigen verbruik is ca 185.000 ton, de rest wordt geëxporteerd5

De grootste verbruikers van aluminium in Nederland zijn:

.

• Bouw (28%) ramen, gevels, hangen sluitwerk, etc.

• Transport (25%) auto-industrie: motoronderdelen, carrosserieΝn van bussen en vrachtwagens, bumpers, velgen, laadbakken. Een nieuwe ontwikkeling is gelamineerd Al als toepassing in personenwagens treinen: met name de carrosserie van metro's vliegtuigbouw: romp en vleugels scheepsbouw: jachten, reddingsboten, bovenbouw van grote schepen.

• Machinebouw (15%), o.a. motoren

• Verpakkingsindustrie (12%) tubes, Al-folie, blikken

• Huishoudelijke apparaten (7%) zoals pannen en bestek

• Overige, waaronder elektrotechniek (13%) o.a. hoogspanningsleidingen en toepassingen in de verf- en staalindustrie (desoxidatiemiddel, legeringselement)

De eigenschappen, die als een rode draad door vrijwel alle toepassingen heen lopen zijn:

• de lage soortelijke massa

• de uitstekende vervormbaarheid

• de goede corrosievastheid

7.2.1 Eigenschappen van zuiver aluminium Zuiver Aluminium heeft een groot aantal goede en enkele minder gunstige eigenschappen.

• lage soortelijke massa Met 2700 kg/m3 behoort Al tot de lichtmetalen, Het is dus zeer geschikt in situatie waar massa een rol speelt, zoals transport.

• zeer goede corrosievastheid Al is zeer onedel, doch dankzij een zich zeer snel vormend oxidelaagje, is het goed bestand tegen atmosferische corrosie. Ook tegen oxiderende zuren is Al goed bestand (de oxidehuid wordt er langzaam dikker van).

5 Schatting Aluminiumcentrum 2010


136 Mei 2010

Door kunstmatige oxidatie langs chemische of elektrochemische weg kan de oxidelaag nog versterkt worden (anodiseren of eloxeren). Al is niet bestand tegen sterke alkaliën (zoals NaOH) of chloriden (HCl).

• lage elektrische weerstand De geleidbaarheid van zuiver Al is 62 IACS6

• goede warmtegeleiding Door de goede warmtegeleiding kan Al toegepast worden als koelelement en als materiaal voor zuigers en cilinderkoppen in verbrandingsmotoren (mede dankzij de lage soortelijke massa).

. Dat is vrij goed. De relatieve geleidbaarheid is zelfs veel beter dan van koper. Dit maakt Al zeer geschikt als hoogspanningsleiding.

• hoog reflectievermogen In het gebied van zichtbaar licht bezit gepolijst Al een reflectievermogen van 90% (net als zilver!). Hierop berust de toepassing als spiegel, reflector en diverse siervoorwerpen.

• hoge uitzettingscoëfficiënt Zeker in constructies, in combinatie met andere materialen, en bij wisselende temperaturen is dit een factor om rekening mee te houden.

• goed bewerkbaar Het materiaal is binnen zekere grenzen goed verspaanbaar, vervormbaar en gietbaar. In vergelijking met constructiestaal is de lasbaarheid duidelijk minder goed (echter niet zo slecht zoals vaak wordt beweerd).

• laag smeltpunt (658 °C) Enerzijds is dit gunstig m.b.t. de vormgevingsaspecten (spuitgieten, extrusie), anderzijds wordt hierdoor de toepassing bij hogere temperatuur beperkt (tot ca. 200 °C Door het lage smeltpunt ligt de rekristallisatietemperatuur van zuiver Al ook laag.

• lage E-modulus Ten opzichte van staal heeft Al een lage E–modulus (70 MPa). Daardoor moet men bij Al–constructies zeer veel aandacht besteden aan stijfheid en stabiliteit. Een staalconstructie zomaar vervangen door een Al–constructie is meestal niet mogelijk. Gebruik van extrusieprofielen biedt hier een goede uitkomst.

• KVG structuur Dit maakt toepassingen bij lage temperatuur goed mogelijk (cryogene toepassingen, bijvoorbeeld vloeibaar stikstof, –196 °C). Een metaal of legering met een homogene KVG–structuur heeft immers geen overgangstemperatuur.(figuur 2.7)

6 IACS = International Annealed Copper Standard. Dit is een koperdraad van 1 m lengte en 1 gram gewicht,

met een weerstand van 0,15328 Ω. Dit is gelijk aan een weerstand van 0,017241 Ωmm2/m bij 20 °C.


Mei 2010 137

• lage sterkte Zuiver Al is zeer zacht. Dat is echter niet bijzonder. De sterkte kan worden opgevoerd door koudvervormen. In een aantal Al-legeringen kan de sterkte door precipitatieharding enorm opgevoerd worden.

• galvanische corrosie Hoewel het materiaal een oxidehuid vormt die het in veel gevallen goed corrosievast maakt, treedt zeer snel galvanische corrosie op als het in contact komt met andere materialen zoals staal en koper. Contact met roestvaststaal of zink is wel mogelijk.

• hoge kostprijs t.o.v staal De Al-prijzen zijn de afgelopen jaren zeer aan schommelingen onderhevig geweest. De prijs is afhankelijk van de leveringsconditie en vorm, .

7.2.2 Toepassingen van zuiver aluminium De toepassingen van zuiver aluminium hebben vooral betrekking op de volgende feiten:

• uitstekende corrosievastheid, hoe zuiverder hoe beter

• goede thermische geleidbaarheid

• goede bewerkbaarheid

Een belangrijk nadeel is de lage sterkte. Door koudvervormen is deze wel te verhogen, maar dat gaat ten koste van de corrosievastheid en de geleidbaarheid.

Belangrijke toepassingsgebieden zijn:

• elektrotechniek

• verpakking

• chemie

• optica (spiegels, reflectoren)

Ongelegeerd ("zuiver") Al heeft een zeer lage sterkte. Deze sterkte kan worden opgevoerd door:

• koudvervormen

• korrelverfijnen

• legeren (oplosharden en precipitatieharden)

Met een combinatie van bovenstaande methodes kunnen legeringen gemaakt worden die minstens zo sterk zijn als gewoon constructiestaal.


138 Mei 2010

7.2.3 Aluminiumlegeringen In de techniek wordt zuiver aluminium als constructiemateriaal weinig toegepast. Door legeren wordt de sterkte aanzienlijk verhoogd. Dat legeren gaat dan wel ten koste van de geleidbaarheid en de corrosievastheid. Er bestaan een aantal groepen van aluminiumlegeringen, die zich onderscheiden qua samenstelling. Een veel gebruikte classificatiemethode is die volgens de Amerikaanse Aluminium Association: de letters AA gevolgd door 4 cijfers. Die cijfers bepalen de groep (samenstelling). Na de cijfers kunnen nog letters en cijfers komen die aangeven in welke toestand het materiaal is (vervormd, gegloeid, etc). In tabel 7-5 is deze classificatie weergegeven.

Daarnaast is er de EN norm die erg lijkt op de AA codering (EN 573) Hierbij is het mogelijk de samenstelling te vermelden, en de leveringsconditie.

Voorbeelden AA2024 = EN AW-2024 [AlCu4SiMg] (AW betekent Aluminium kneed(legering)) AA7075-T9 = EN AW-7075-T9 [AlZn6CuMgZr]

Er bestaan ook andere normeringen, zoals de Duitse DIN en het Amerikaanse UNS systeem. We gaan daar hier niet op in (het UNS systeem zal in de toekomst meer gebruikt gaan worden).

soort legering AA aanduiding belangrijkste legeringselementen 1××× ongelegeerd (Al > 99,0) 2××× koper 3××× mangaan 4××× silicium kneedlegeringen 5××× magnesium 6××× magnesium en silicium 7××× zink 8××× andere elementen (zoals lithium) 9××× niet gebruikt 1××.× ongelegeerd (Al > 99,0) 2××.× koper 3××.× silicium + koper en/of magnesium gietlegeringen 4××.× silicium 5××.× magnesium 7××.× zink 8××.× tin 9××.× andere elementen 6××.× niet gebruikt

Tabel 7.5 AA-aanduiding voor kneed- en gietlegeringen

We onderscheiden:

• Kneedlegeringen (legeringen die gewalst of geëxtrudeerd worden)

• Gietlegeringen (legeringen die gegoten worden in zand of metaal, coquillegietwerk, spuitgietwerk)


Mei 2010 139

In tabel 7-6 zijn een paar kneedlegeringen en het globale toepassingsgebied weergegeven

AA aand

Si Cu Mn Mg Zn toepassingen en toepassingsgebieden

1... zie tabel 6

2011 2017 2024

0.40 0.5 0.5

5.5 4 4.3

0.7 0.6

0.6 1.5

0.3 0.2 0.2

automatendraaiwerk bouten, carrosseriebouw carrosseriebouw en vliegtuigonderdelen,

3003 3105

0.6 0.6

0.2 0.3

1.3 0.5

0.5

0.4

slagextrusie warmtewisselaar

lasdraad

5005 5052 5056

0.3 0.3 0.3

0.1

0,8 2.5 5

keukengerei architectuur auto-onderdelen

6005 6061 6063

0.7 0.6 1,0

0,25

0,8 1,0 0,7

auto-onderdelen, carrosseriebouw, scheepsbouw, zware constructies

7020 7075

0,3 0.4

1,6

0,3

1,2 2,5

5,5

vnl. vliegtuigbouw en ruimtevaart

8090 0.2 1.3 0.95 Li: 2.45 Fe: 0.3; vnl. lucht- en ruimtevaart

Tabel 7.6 Samenstelling en toepassing van enkele Aluminium KNEEDLEGERINGEN. (alleen de belangrijkste legeringselementen zijn weergegeven).

7.2.4 Toepassingen van Aluminiumlegeringen Het zou hier te ver voeren alle toepassingen te vermelden. Eerder zijn een aantal bijzondere eigenschappen genoemd. Het ligt voor de hand dat daar belangrijke toepassingen liggen Voor uitgebreide documentatie kunnen de volgende websites worden geraadpleegd:

http://aluminium.matter.org.uk/aluselect

http://www.eaa.net/education/TALAT/index.htm

Hier worden kort enkele toepassingen besproken

7.2.4.1 De elektrische geleidbaarheid. De eisen, die aan het materiaal voor hoogspanningsleidingen worden gesteld, te weten: lage weerstand en hoge sterkte, zijn eigenlijk onverenigbaar. De soortelijke weerstand is laag bij een grote zuiverheid, maar dan is ook de sterkte laag.

http://aluminium.matter.org.uk/aluselect

http://www.eaa.net/education/TALAT/index.htm


140 Mei 2010

Daarom worden aluminiumleidingen vaak voorzien van een kern van staaldraad. Belangrijke legeringen zijn Al99,5 (62% IACS), AlMg0,7 en AlMg0,7Si (AA 6063), beide 55%

7.2.4.2 De goede koudvervormbaarheid (dieptrekken ) Het meest toegepast zijn legeringen uit de 3000 en 5000 serie Al met 1%Mn Al met 1-5% Mg

Door de vervorming neemt de sterkte behoorlijk toe, terwijl de corrosiebestendigheid zeer goed blijft.

7.2.4.3 Legeringen met hoge sterkte Sterkte kan verkregen worden door koudvervormen, oplosharden en precipitatieharden, en combinaties ervan

Belangrijke legeringen in deze zijn 5083 H22 , 6061 T6 en 7020 T5

7.2.4.4 De lasbaarheid. Door lassen kan de sterkte in de warmtebeïnvloede zone achteruitgaan Koudvervorming wordt daar ongedaan gemaakt, evenals kunstmatig verouderde legeringen (precipitatieharding na een warmtebehandeling)

Alleen legeringen die hun sterkte ontlenen aan oplossingsharding zullen hun sterkte behouden.

Dat wil niet zeggen dat die andere legeringen niet lasbaar zijn, maar er zal wel constructief rekening gehouden moeten worden met een verzwakking van de laszone. Dit kan door: ter plekke van de las dikker materiaal gebruiken (als dat kan) of zodanig construeren dat de las in een gebied komt te liggen waar een lagere spanning is.

7.2.4.5 Gietlegeringen De belangrijkste gietlegering is de legering Al met ca 12% Si (handelsnaam Silumin). Deze legering is eutectisch en heeft zeer goede gieteigenschappen (bijvoorbeeld dun vloeibaar en snel stollend) Silumin wordt gebruikt voor (ingewikkeld) dunwandig spuitgietwerk.

Hogeschool Utrecht Kunststoffen

Mei 2010 141

8. Kunststoffen 8.1 Inleiding

In dit hoofdstuk worden veel afkortingen gebruikt. De betekenis ervan is weergegeven in de bijlage. Lees deze bijlage ook om te weten wat je ervan moet kennen.

8.1.1 Polymeren en kunststoffen Polymeren zijn extreem grote moleculen met grote molmassa’s, meestal tussen 104 en 106 g/mol. Het zijn macromoleculen. Een kenmerk is dat deze macromoleculen bestaan uit een aaneenschakeling van gelijke kleinere moleculen, de monomeren.

Er zijn polymeren die in de natuur voorkomen, maar ze kunnen ook geheel of gedeeltelijk synthetisch zijn. Halfsynthetische polymeren zijn polymeren die chemisch gemodificeerd zijn (zie Tabel 8.1).

Natuurlijk Plantaardig Hout, katoen, jute, hennep, kurk

dierlijk Wol, zijde, ivoor, bont

Halfsynthetisch Uit hout Cellulose cellofaan, kunstzijde

Uit melk Caseïne (grondstof voor caseïneplastics, zoals kunstivoor

Uit huiden Door looien: leer

Uit rubberlatex Door (o.a.) vulkaniseren technische natuurlijke rubbers

Uit zetmeel Biopolymeren

Synthetisch Opgebouwd uit laagmoleculaire monomeren, afkomstig uit fossiele brandstoffen

carbochemie Polymeren uit steenkool

petrochemie Polymeren uit aardolie en aardgas

Tabel 8.1 Polymeren van natuurlijke, halfsynthetische en synthetische oorsprong

Een synthetisch polymeer ontstaat uit een aaneenschakeling van onverzadigde monomeren, waarbij een dubbele binding “openklapt”, zoals in onderstaand voorbeeld is weergegeven. Op deze wijze ontstaan lange ketens.

H H H H H H H H C = C + C = C – – C – C – C – C – – H H H H H H H H

Etheen Polyetheen (PE) (monomeer) (polymeer)


142 Mei 2010

Kunststoffen zijn polymeren + toevoegingen en hulpstoffen. Toevoegingen zijn o.a. stoffen die de eigenschappen verbeteren; hulpstoffen zijn stoffen waardoor de verwerking beter gaat of het materiaal een kleur geeft.

Voorbeelden Er bestaat een grote verscheidenheid aan hulp- en vulstoffen voor zeer verschillende

doeleinden zoals kleurstoffen, roet, kwarts, anti-oxidanten, glijmiddelen, glasvezels, blaasmiddelen vlamvertragers enz.

De toevoeging kan ook een ander polymeer zijn. We spreken dan van een polymeermengsel.


Mei 2010 143

8.2 Indeling

8.2.1 Hoofdindeling Polymeren kunnen wat betreft de ketenbouw verdeeld worden in twee groepen, te weten:

enkelvoudige ketens netwerken

Enkelvoudige of lineaire ketens

Netwerken

Figuur 8.1 Ketenbouw in kunststoffen

Enkelvoudige ketens zij lineaire macromoleculen, al of niet met vertakkingen (“doodlopende” zijtakken). Zo’n keten vormt als het ware een lange draad die als een kluwen verstrengeld is met andere ketens.

In een netwerk zijn de ketens door sterke chemische bindingen in drie dimensies met elkaar verbonden en vormen zo als het ware één gigantisch molecuul. Zo’n netwerk kan op twee manieren worden gevormd:

a. door chemische bruggen tussen enkelvoudige ketens aan te brengen voorbeeld vulkanisatie van rubber met zwavel, of uitharden van polyester met (poly)styreen.

b. door moleculen met drie (of meer) reactieve plaatsen te laten reageren met moleculen met twee reactieve plaatsen.

voorbeeld reactie van fenol

Uit deze ketenopbouw volgt de hoofdindeling van de polymeren:

Thermoplasten Rubbers of elastomeren Thermoharders


144 Mei 2010

Thermoplasten bestaan uit enkelvoudige ketens. Kenmerkend is dat ze bij lage temperatuur (kamertemperatuur) vrij stijf zijn en bij temperatuurverhoging eerst week worden (plastisch of “rubberachtig”) en vervolgens vloeibaar. Bij afkoeling volgen ze de omgekeerde route; ze vertonen dus een reversibel temperatuurgedrag. In plastische of vloeibare toestand kunnen ze gemakkelijk tot een product omgevormd worden (vandaar de naam “plastics”).

Voorbeeld Voorbeelden van thermoplasten: kratten, vuilniszakken, margarinekuipjes, synthetische vezels, dakgoten, elektriciteitsbuis, etc

Rubbers bestaan in beginsel ook uit enkelvoudige ketens, maar door vulkaniseren worden er “bruggen” tussen aangebracht, waardoor een vormstabiele toestand ontstaat. Deze vulkanisatie moet plaatsvinden nadat het product gevormd is (zie ook §8.2.4).

Voorbeeld Producten van rubber zijn onder andere: autobanden, schoenzolen, transportbanden, afdichtingsringen, etc

Thermoharders bestaan uit netwerken van ketens. Deze netwerken worden gevormd in vloeibare toestand (vaak bij hogere temperatuur). De netwerkvorming wordt uitharding genoemd. Eenmaal in uitgeharde toestand zijn thermoharders hard en stijf. Bij temperatuurverandering blijft deze situatie zo (irreversibel temperatuurgedrag). Het netwerk is aanzienlijk fijnmaziger dan bij gevulkaniseerde rubbers.

Voorbeeld Producten van thermoharders: schakelaarhuizen, isolatieschuim, tweecomponentenlijm, glasvezelversterkte boten etc.

Thermoplastische rubbers zijn rubbers die bij temperatuurverhoging zich gedragen als een thermoplast, met alle voordelen voor de verwerking tot een product . Deze soort rubbers zijn een recente ontwikkeling.

8.2.2 Naamgeving De naamgeving van kunststoffen is verwarrend. Er zijn namen uit de begintijd van de kunststofchemie, er zijn buitenlandse namen, merknamen, en soms (ook voor chemici) ingewikkelde chemische namen.

Er is wel een standaardisatie (ISO 1043). Hierin is vaak de naam gebaseerd op het monomeer, maar ook kunnen kenmerkende atomen of atoomgroepen de naam bepalen, zoals fluor, acryl, amide, epoxy, carbonaat, etc.

Polyetheen wordt gevormd door een aaneenrijging van etheenmoleculen, zoals in Figuur 8.2 is weergegeven. Polypropeen ontstaat uit een aaneenrijging van propeen (CH2=CH–CH3), etc


Mei 2010 145

Figuur 8.2 Aaneenrijging (polymerisatie) van etheenmoleculen tot polyetheen

Een aantal eenvoudige polymeren hebben de vorm zoals in Figuur 8.3 is weergegeven.

Hierin stelt ® een atoom of groep atomen voor.

Figuur 8.3 “basisformule” voor enkele eenvoudige polymeren

Als R = H → polyetheen (PE) R = CH3 → polypropeen (PP) R = Cl → polyvinylchloride (PVC) R = C6H5 → polystyreen (PS) (de groep is een benzeenring)

Ook kunnen er twee gelijke ® groepen aan de hoofdketen tegenover elkaar zitten. Dit

levert onder andere:

Als R = Cl → polyvinylideenchloride (PVDC) R = F → polyvinylideenfluoride (PVDF) R = CH3 → polyisobuteen. (PIB) Als de twee restgroepen verschillend zijn levert dat de mogelijkheid: Als R1 = CH3 en R2 = COOCH3 → polymethylmetacrylaat (PMMA), bekend onder de naam perspex.

Vier gelijke restgroepen ® is ook mogelijk

Als R = F → polytetrafluoretheen (PTFE), bekend onder de merknaam teflon. Uiteraard zijn er nog veel meer mogelijkheden, niet alleen met verschillend geplaatste zijketens (regelmatig, onregelmatig), maar ook met variatie in een hoofdketen. Ze zijn qua bouw vaak aanzienlijk ingewikkelder. Figuur 8.4 geeft een overzicht van een paar mogelijkheden. In de techniek worden drie groepen polymerenonderscheiden Bulkpolymeren (PE, PS, PP, PVC) Technische polymeren (Engineering polymers) (PA, PC, PET, POM enz.) Specialiteiten (PEEK, PI, PEI, enz...)


146 Mei 2010

De vier bulkpolymeren maken ongeveer 70% van het gebruik van kunststoffen in de wereld uit omdat ze goedkoop zijn. Voor thermoharders, zoals PUR, EP, UF is het marktaandeel ongeveer 20%. De overige 10 % is voor de rest. Hiervan maakt PETP (vanwege de “PET-fles”) nog het belangrijkste deel uit.

Figuur 8.4 Enkele belangrijke thermoplasten.


Mei 2010 147

8.2.3 Moleculaire opbouw van thermoplasten Bij thermoplasten is de lineaire keten de hoofdketen –“de ruggengraat”– van het polymeer. Deze hoofdketen is opgebouwd uit een groot aantal monomeren (zie Figuur 8.5 en Figuur 8.6). De ketens hebben niet allemaal dezelfde lengte. De mate van variatie in deze ketenlengte heeft ook veel invloed op de eigenschappen: de aanwezigheid van veel korte ketens maakt het materiaal zachter.

De monomeren zijn vaak van één soort, maar combinaties van twee of drie verschillende monomeren komt ook voor. We spreken van copolymeren en terpolymeren als er twee resp. drie verschillende monomeren zijn gebruikt. (zie Figuur 8.7)

Voorbeelden SAN is een copolymeer van styreen en acrylonitril ABS is een terpolymeer van acrylonitril, butadieen en styreen (vaak ook een mengsel van twee copolymeren)

Figuur 8.5 De hoofdketen van een thermoplast is opgebouwd uit een groot aantal monomeren.

Figuur 8.6 Een (amorfe) thermoplast is opgebouwd als een kluwen aantal door elkaar verstrengelde hoofdketens van verschillende lengtes.

Figuur 8.7 De hoofdketen kan bestaan uit 2 (of meer) verschillende monomeren, die al of niet regelmatig gerangschikt zijn. Men spreekt dan van (a) random (b) alternerende, (c) blok- en (d) entcopolymeren.


148 Mei 2010

Een thermoplast is niet altijd strikt lineair: er kunnen vertakkingen voorkomen → zijketens zie Figuur 8.8.

Deze zijketens kunnen van dezelfde soort zijn, zoals bij PE het geval is. Door deze zijketens krijgen de kunststoffen andere eigenschappen (zie Tabel 8.2).

Figuur 8.8

Een polymeer (in dit geval PE) kan verschillende vormen van zijketens hebben.

Dit heeft vele consequenties: onder andere de mate van kristalliniteit en de dichtheid worden erdoor bepaald. Zo heeft HDPE een hogere dichtheid en is meer kristallijn dan LDPE.

Een hoofdketen is, in verhouding uitzonderlijk lang –op schaal vergroot kan men denken aan een mensenhaar van 1 meter lengte– en vormt een ijle kluwen. Vele ketens zijn in elkaar verstrengeld en vormen zo het bijzondere gedrag van een thermoplast. De binding in de hoofdketen is een sterke covalente chemische binding. De binding tussen de verschillende ketens is de veel zwakkere fysische van der Waals binding. Bij hogere temperaturen kunnen de ketens langs elkaar glijden omdat door de grotere ketenafstand (als gevolg van de uitzetting) de van der Waals krachten vrijwel geen rol meer spelen. Dit is ook de reden dat ze eerst rubberachtig worden en vervolgens gaan smelten.

Sommige thermoplasten kunnen “kristalliseren”. Kunststoffen kristalliseren anders dan metalen. Bij kunststoffen betekent kristalliseren dat de moleculen netjes naast elkaar worden gelegd, terwijl het bij metalen om atomen (ionen) gaat die in een rooster zijn geplaatst. De ketens van een kristallijne kunststof vormen (gedeeltelijk) een regelmatige opbouw, aldus een patroon vormend. In feite is het beter te spreken over een “semi-kristallijn” materiaal, omdat in de praktijk nooit meer dan 70-80% gekristalliseerd is. Om te kunnen kristalliseren, moeten de ketens een regelmatige ketenopbouw hebben; ook de zijketens moeten regelmatig geplaatst zijn.

Tengevolge van de grote lengte van de keten en de kluwenvorming is de kristallisatie nooit volledig. Een van de best kristalliseerbare kunststoffen is HDPE, waarbij de kristallisatiegraad 80% kan worden. Hoe men zich die kristallisatie moet voorstellen is weergegeven in Figuur 8.9. Er zijn verschillende modellen die naast en door elkaar voorkomen.


Mei 2010 149

Fringed micel model Lamelmodel

Parakristallijn model Sferuliet model

Figuur 8.9 Kristallisatiemodellen voor thermoplasten.

PE LDPE HDPE LLDPE

Polyetheen Lage dichtheid PE Hoge dichtheid PE Linear Low density PE

Vrij zacht en taai kristallijn De stijfheid neem toe met toenemende dichtheid

PP Polypropyleen Kristallijn, lijkt op PE, maar is iets harder en stijver dan HDPE

PVC Polyvinylchloride Amorf, hard

PS Polystyreen Amorf, zeer bros

ABS Acrylonitril-butadieen-styreen Terpolymeer of mengsel van twee copolymeren hoge slagsterkte

PMMA Polymethylmatacrylaat Amorf, hard en transparant

PA Polyamide Kristallijn, goede slagsterkte, bekend als nylon

PETP Polyetheentereftalaat Kristallijne polyester, ook bekend van de PET-fles

PC Polycarbonaat Amorf, glasachtig met zeer hoge slagsterkte

Tabel 8.2 Overzicht van enkele veel gebruikte thermoplasten. Voor toepassingen zie bijlage worden


150 Mei 2010

8.2.4 Moleculaire opbouw van rubbers Qua moleculaire bouw liggen de rubbers dicht bij de thermoplasten. Ook hier vinden we homopolymeren (NR, IR, BR), copolymeren (SBR) en terpolymeren (EPDM).

Het grote verschil met thermoplasten is dat de synthetische rubbers bij gebruikstemperatuur plastisch zijn en pas bij lage temperatuur hard worden. Zo’n polymeer wordt pas technisch bruikbaar als de plastische vervorming wordt verhinderd. Dit is mogelijk door de ketens op een aantal plaatsen met elkaar te verbinden (vulkaniseren).

Een product vervaardigd uit rubber krijgt in ongevulkaniseerde toestand zijn vorm en daarna door het vulkaniseren zijn vormvastheid. Bij dit vulkaniseren worden meestal door zwavel chemische bruggen tussen de hoofdketens gemaakt en net zoveel als nodig is. Dat wil zeggen dat als het aantal bruggen toeneemt de flexibiliteit ook afneemt.

Ongevulkaniseerde rubber is een thermoplast.

Door zwavelgroepen (2-5 S-atomen per binding wordt verbinding gemaakt tussen de ketens. Slechts enkele procenten van alle dubbele bindingen worden bij een rubber gebruikt

Figuur 8.10 Schematische voorstelling van de vulkanisatie van een rubber

Voorbeeld Latex is het homopolymeer voor de vervaardiging van natuurrubber

Door latex te vulkaniseren met zwavelbruggen krijgt men de bekende rubbereigenschappen. Als het zwavelgehalte toeneemt, wordt de rubber harder en brosser. Bij maximaal zwavel ontstaat zo de kunststof eboniet.

Voorbeeld Voor de productie van een rubber slang gebruikt men het extrusieproces wat voor thermoplasten gebruikelijk is . Door zwavel toe te voegen aan de nog plastische massa, vindt de vulkanisatie plaats nadat de slang uit de spuitopening komt.


Mei 2010 151

Om rubbers stijver en harder te maken worden vulstoffen toegevoegd, zoals krijt en grafiet.

Er zijn momenteel ongeveer 20 soorten rubber die technisch en commercieel interessant zijn, te verdelen over twee groepen. De belangrijkste zijn:

General purpose rubbers (80-90% van het wereldverbruik van rubbers)

• NR Natuurrubber • SBR Styreen-butadieen rubber • IR Isopreenrubber (een technische imitatie van natuurrubber) • BR Butadieenrubber • IIR Butylrubber

Specialty rubbers, een groep voor speciale doeleinden

• CR Chloropreenrubber • EPM Etheen-Propeen rubbers (en de variant EPDM) • VMQ Siliconenrubber • Urethaanrubber • Fluorhoudende rubbers • TPE’s Thermoplastische elastomeren Hierbij zijn de bruggen niet

chemisch maar fysisch. Bij verhoogde temperaturen verdwijnen deze bruggen, die bij lagere temperaturen dan weer ontstaan.

8.2.5 Moleculaire opbouw van thermoharders Evenals bij rubbers hebben we hier ook te maken met de vorming van een netwerk, maar dit netwerk is zo fijnmazig dat er geen lange ketens meer zijn,

De opbouw van dit netwerk kan bijvoorbeeld plaatsvinden door moleculen met twee reactieve plaatsen te laten reageren met moleculen met drie reactieve plaatsen. Dit netwerk wordt niet verbroken door beperkte temperatuurverhoging of niet te agressieve oplosmiddelen. Bij te hoge temperatuur valt het netwerk uiteen en kan niet meer worden hersteld.

De meeste thermoharders zijn in zuivere toestand niet erg sterk en zelfs vrij bros. Door toevoegingen (van zaagsel, katoen, grafiet en vezels) zijn ze echter uitstekend te versterken. Belangrijke vezels voor de versterking van thermoharders zijn glasvezel, koolstofvezel en aramidevezels (o.a. Kevlar).

Figuur 8.11

Schematische voorstelling van het driedimensionale netwerk van een thermoharder


152 Mei 2010

De meest toegepaste thermoharders zijn:

• UP Onverzadigde polyesterhars met glasvezel. Vindt veel toepassing in de scheepsbouw, en bij de bouw van vaten en buizen.

• EP Epoxyhars met vezels Toegepast in luchtvaart en sportartikelen, zoals tennisrackets. Ook toepassingen in lakken en lijmen

• PF Fenol-formaldehyde Dit is de oudste thermoharder, bekend onder de naam bakeliet (naar de uitvinder dr L. H. Baekeland, 1907) Toepassingen in schakelaardozen, lampfittingen, geperste laminaten (spaanplaat) en isolatieschuim

• UF Ureum-formaldehyde Betere kwaliteit en mooiere oppervlakteglans dan PF

• MF Melamine-formaldehyde Nog weer iets sterker en mooier dan UF Toepassing o.a. servicegoed (Mepal) en decoratieve panelen en tafelbladen (Formica)

• PUR Polyuretanen De themohardende variant van deze grote groep polymeren wordt vooral toegepast als thermisch isolerend schuim.

8.2.6 Fabricage van kunststof De fabricage van kunststoffen is vaak een zeer ingewikkeld proces, onder strikte condities van temperatuur, druk, katalysator etc. Hier wordt volstaan met het noemen van de drie productiesystemen.

• Polymerisatie • Polycondensatie • Polyadditie

Polymerisatie wordt vooral bij thermoplasten toegepast. Het is het reeds besproken “aaneenrijgen”, (een additie), van hoofdketens. Bij de polymerisatiereactie komt warmte vrij.

Polycondensatie komt vooral voor bij thermoharders. Twee componenten (hars en harder), reageren (onder invloed van temperatuur, katalysator) in vloeibare toestand met elkaar dot de gewenste stof waarbij een condensaat (vaak water) afgesplitst wordt. Ook dit is een exotherme reactie. Het afvoeren van het water(damp) en de warmte is een probleem, waardoor eigenlijk alleen vrij dunne delen gemaakt kunnen worden.

Polyadditie is ongeveer hetzelfde als additie-polymerisatie. Maar wordt toch eigenlijk gebruikt thermoharders te produceren, waarbij geen condensaat gevormd wordt, dus hars + harder→ thermoharder +warmte.


Mei 2010 153

8.3 Fasen en fase-overgangen De toestand van een stof kan zijn: vast, vloeibaar, gasvormig,…. Bij (echte) kristallijne materialen (zoals metalen) gaat de overgang van de ene fase naar de andere gepaard met een sprong in het volume. Hierdoor wordt zo’n overgangspunt duidelijk gemarkeerd als smeltpunt, kookpunt, etc.

Bij een amorfe stof, zoals glas en veel kunststoffen is zo’n sprong er niet, althans, niet duidelijk, en kan ook niet van een smeltpunt gesproken worden. Van glas weten we dat het bij verwarming geleidelijk weker wordt en overgaat in een vloeibare toestand. Figuur 8.12 geeft dit weer: Het volume van de geheel kristallijne zuivere stof volgt bij afkoeling de lijn ABCF en heeft een stolpunt bij Tm. Het volume van glas volgt de lijn ABDE. Tot punt D is het in vloeibare toestand, daaronder in vaste toestand. De knik in de curve wordt Tg, het glaspunt genoemd.

Figuur 8.12 Volumeverandering bij temperatuurverandering van kristallijne en amorfe stoffen.

Voor amorfe kunststoffen geldt iets dergelijks: Bij opwarmen zal een thermoplast bij Tg echter niet direct overgaan in vloeibare toestand maar eerst in een rubberachtige fase. Pas bij verdere verhoging van temperatuur wordt de thermoplast vloeibaar. Men noemt Tg ook wel de glas-rubberovergangstemperatuur.

Dit gedrag kan beter weergegeven worden in een grafiek, waarin de (logaritme van) de stijfheid (E-modulus) als functie van de temperatuur is weergegeven: een log E-T diagram (zie Figuur 8.13).

Voor een laag moleculair amorf materiaal (glas) verdwijnt de stijfheid snel na het passeren van het glaspunt: het glas wordt vloeibaar. Bij amorfe polymeren ontstaat een tussentoestand (rubberplateau) die langer is naarmate de molecuulmassa (ketenlengte) groter is. De E-modulus is op het rubberplateau 1000-10000 keer lager dan in de glastoestand. Bij verdere temperatuurverhoging daalt de E-modulus snel naar het niveau van de vloeistof.


154 Mei 2010

Log E-T kromme voor en amorfe kunststof. De lengte van het rubbertraject hangt onder andere af van de gemiddelde ketenlengte

Log E-T kromme voor een kristallijne thermoplast (gestippeld = amorf) Door het korte rubbertraject is vacuümvervormen en kalanderen moeilijker

Figuur 8.13 Log E-T kromme voor een amorfe en semikristallijne kunststof

Een polymeer dat 100% kristallijn zou zijn, vertoont in een log E-T diagram een vrij scherpe knik bij het smeltpunt Tm (Figuur 8.13). Een kunststof is echter nooit volledig kristallijn, zodat kromme wat geleidelijker naar beneden loopt het amorfe deel komt eerst en wordt gevolgd door het kristallijne stuk. Ook netwerkvorming heeft invloed op het verloop van de log E-T kromme: Hierbij ontbreekt het vloeibaar worden. In Figuur 8.14 is weergegeven hoe door toenemende vernetting de kromme steeds vlakker gaat lopen, waardoor Tg ook steeds minder aanwezig is.


Mei 2010 155

Figuur 8.14 Invloed van de netwerkvorming op de vorm van de Log E-T kromme.

8.3.1 Invloedsfactoren op Tg De hoogte van de temperatuur Tg wordt bepaald door een aantal factoren die hier kort genoemd worden

Ketenflexibiliteit Door grotere moleculen of complexen (zoals benzeenringen) in een keten op te nemen wordt deze stijver. Dat geldt ook voor de aanwezigheid van grote zijgroepen en dwarsbruggen. Tg wordt daardoor hoger.

Keteninteracties Ketens worden onderling door vd Waalskrachten bijeengehouden. Hieronder vallen een aantal verschillende soorten, waarvan de zogenaamde dipoolbindingen de sterkste zijn. Dipolen ontstaan als de ladingsverdeling binnen een molecuul of atoomgroep asymmetrisch is ten opzichte van het zwaartepunt. PE en PTFE en zijn wat dat betreft symmetrisch (a-polair) en PVC is redelijk asymmetrisch (polair).

De vervormingssnelheid Bij lage vervormingssnelheden ligt Tg lager dan bij hoge vervorminggsnelheden. Dat is een gevolg van het visco-elastische gedrag van kunststoffen (thermoplasten)

Voorbeeld Silly putty is een materiaal dat dit gedrag extreem vertoont,. Bij hoge vervormingssnelheid gedraagt het zich hard en bros. Men kan er een goed stuiterend balletje van maken. Wordt het materiaal daarentegen met “rust” gelaten, zodat alleen de zwaartekracht erop werkt of een andere uitwendige kracht die langzaam verandert, dan vloeit het materiaal gemakkelijk uit en gedraagt het zich als dikke stroop.


156 Mei 2010

8.4 Visco-elasticiteit Als kunststoffen worden belast, vertonen ze –anders dan metalen- een tweeslachtig gedrag. Enerzijds gedragen ze zich bij geringe belasting elastisch, net als metalen, anderzijds vertonen ze ook viskeus (vloeistofachtig) gedrag. Dit komt vooral bij thermoplasten tot uiting. Bij grotere belastingen vervormt een kunststof ook plastisch.

Voorbeeld Een PVC buis wordt belast en buigt daardoor spontaan elastisch door (net als een metalen buis), De doorbuiging stopt echter niet maar gaat daarna langzaam verder. Bij ontlasten veert de buis eerst snel elastisch terug en daarna nog enige tijd langzaam. Of de buis weer helemaal terugkomt in de oude stand hangt af van de grootte van de belasting.

Het ideale elastische vaste stofgedrag kan beschreven worden met de wet van Hooke, waarin de spanning evenredig is met de rek. De evenredigheidsfactor is de elasticiteitsmodulus E.. Bij het ideale viskeuze vloeistofgedrag is de spanning evenredig met de reksnelheid (wet van Newton). De evenredigheidsfactor noemt men de viscositeit η

ε⋅=σ E (Hooke) E = Elasitciteitsmodulus (N/mm2)

dtdε⋅η=σ (Newton) η = dynamische viscositeit (Ns/mm2)

Het visco-elastische gedrag leidt tot enkele verschijnselen, die vooral door het viskeuze karakter bijzonder zijn.

Veel vloeistoffen (water, alcohol, zeer veel oliën enz,) zijn ideale vloeistoffen. Men noemt ze Newtonse vloeistoffen. Er zijn ook veel (vloei)stoffen, waaronder alle thermoplasten die niet-Newtons zijn; dat wil zeggen dat, om de vloeistof 2× zo snel te laten stromen er niet 2× zoveel kracht uitgeoefend wordt, maar meer of minder. Het gedrag van dergelijke stoffen is dan dilatant (spanning neemt meer dan evenredig toe), of pseudo-plastisch (spanning neemt minder dan evenredig toe) of tixotroop, etc Vloeibare thermoplasten zijn pseudo-plastisch: de viscositeit η neemt minder dan evenredig toe met de spanning σ Om het gedrag van een kunststof numeriek te beschrijven (om daarmee een E-modulus te bepalen, afhankelijk van de tijd en belasting, die in een constructieberekening kan worden toegepast) zijn diverse modellen gemaakt, waarin een veer en een zuiger gevuld met een vloeistof in serie en/of parallel geschakeld zijn. De veer karakteriseert het vastestofgedrag, de zuiger het vloeistofgedrag. Een bekend model is het z.g. Burgersmodel, dat het gedrag van een kunststof redelijk goed weergeeft: Bij een geringe belasting treedt er een spontane elastische rek op en de kunststof rekt vervolgens langzaam verder (kruip –deels reversibel en deels irreversibel–, volgens een e-macht) naar een eindwaarde, afhankelijk van de belasting.


Mei 2010 157

8.4.1 Kruip Het voortgaand rekken als de kunststof belast is, kan leiden tot ontoelaatbare rek en uiteindelijk breuk. Omdat dit langzaam gaat, wordt dit kruip genoemd. (Ook metalen kunnen kruipen, mits de temperatuur voldoend hoog is (0,4× Tsmelt in K, zie hoofdstuk 5)) De kruipsnelheid in kunststoffen is afhankelijk van de tijd, van de spanning en temperatuur. Het grote verschil met kruip in metalen is dat het bij kamertemperatuur zo gemakkelijk gaat.

8.4.2 Spanningsrelaxatie Verwant aan de kruip is spanningsrelaxatie. Dit betekent letterlijk ontspannen.

Stel een staaf kunststof wordt een stukje gerekt, waardoor er een spanning in ontstaat. Als de nu aanwezige rek niet meer verandert, blijkt de spanning na verloop van enige tijd lager te zijn geworden (volgens een e-macht, steeds langzamer met de tijd).

Voorbeeld: Twee platen worden verbonden met een kunststof bout en moer. Na aandraaien van de moer is de bout iets gerekt, waardoor er een spanning in aanwezig is. Na verloop van enige tijd (soms korte) is de spanning in de bout zo laag geworden dat de platen weer los zitten. De moer moet weer aangedraaid worden. Het loszitten zal daarna minder snel gaan. Het aantal keren aandraaien is natuurlijk ook beperkt.

Figuur 8.15 Schematische voorstelling van een craze.

8.4.3 Crazevorming In een kunststof kunnen na enige tijd haarscheurtjes ontstaan, ook indien de belasting laag is. Het voorstadium van zo’n haarscheur is niet een echte scheur, maar een lokale verdunning van het materiaal, craze genoemd. Dat wil zeggen dat de hoeveelheid vezels ter plaatse –door de aanwezige rek– minder is dan op andere plaatsen. Deze vezels zijn sterk georiënteerd en staan


158 Mei 2010

onder spanning. Uiteindelijk leidt dat tot breuk: de haarscheur. Deze haarscheuren breiden zich door het materiaal uit.

Zo’n craze is uiterst moeilijk te detecteren en wat men ziet zijn feitelijk al de haarscheuren. De constructie kan dan al gefaald hebben.

Uit praktische overwegingen dient de spanning dus zo laag te blijven dat een bepaalde rek, de kritische rek niet wordt overschreden, teneinde crazevorming te voorkomen.

Sommige kunststoffen hebben een hoge kritische rek, zoals PP en POM, andere een heel lage (PS).

Figuur 8.16 Crazevorming is de oorzaak van deze grote haarscheren in een maatbeker van PS.


Mei 2010 159

8.5 Mechanische eigenschappen

8.5.1 Trekproef Net als bij metalen kunnen een aantal mechanische eigenschappen afgeleid worden uit een spannings-rekdiagram dat met een trekproef wordt opgenomen.

Een voorbeeld van zo’n diagram voor een thermoplast is weergegeven in Figuur 8.17.

De elasticiteitsmodulus is de helling van het eerste, bij benadering rechte deel van de curve. Bij nadere beschouwing blijkt dit rechte stuk zeer klein te zijn, waardoor bij andere spanningen andere E-moduli ontstaan. Dit leidt tot drie verschillende definities: een aanvangsmodulus E0, een secantsmodulus ES en een tangentmodulus Et. (dimensie N/mm2).

Aanvangsmodulus E0 )dd(E0 εσ

= bij ε = 0 De raaklijn aan de oorsprong

Secantsmodulus Esec 1

1SecE

εσ

= Gemiddelde waarde tussen o en ε1

Tangentmodulus Etan )dd(Etan εσ

= bij ε = ε1 De raaklijn bij ε1

Omdat de bindingkrachten tussen de polymeerketens (dus niet: in de polymeerketen) veel lager zijn dan de bindingen tussen de atomen in een metaalrooster is de sterkte van de kunststof ook veel lager, daarentegen is de rek aanzienlijk groter als gevolg van het ontwarren van de kluwen en langs elkaar schuiven van de lange moleculen. In gestrekte kunststoffen is de rek lager dan in niet gestrekte. Welke modulus gekozen wordt hangt af van de belasting en de tijd. In onbelaste toestand voldoet E0.; bij intermitterende belasting is Esec een mogelijke keuze. De Etan bij maximale belasting is weliswaar veiliger, maar kost ook meer materiaal. Als de kunststof continu belast is, is ook Etan niet veilig: er zal dan kruip optreden.

Uit onderstaand tabelletje blijkt dat de toename van de rek bij verschillende kunststoffen ook verschillend is, dat wil zeggen dat de daling van de E-modulus niet constant is

Belasting 20 N/mm2

Rek na 3 min Rek na 3 jaar

POM E0 = 3000 N/mm2 0,6% 1.8%

PC E0= 2200 N/mm2 0,9% 1.3%


160 Mei 2010

Figuur 8.17 Trekkromme van een thermoplast met de drie E-moduli.

8.5.2 Stijfheid en kruip De stijfheid (de elasticiteitsmodulus dus) van kunststoffen is veel lager dan die van de meeste metalen. Rubbers hebben daarbij de laagste waarden (modulus van 1-50 MPa ) Voor veel thermoplasten vinden we E-moduli tussen 200 en 5000 MPa . Vergelijk dit met andere materialen: aluminium 70000, koper 110000, staal 210000 en C-vezel 400000 MPa Zoals eerder reeds is uiteengezet is de E-modulus niet alleen afhankelijk van de temperatuur, maar ook nog afhankelijk van de spanning en van de tijd (visco-elasticiteit en kruip). Om de stijfheid van een constructie(onderdeel) te verhogen kunnen verschillende maatregelen genomen worden:

1. Verhoging van de constructiestijfheid door vormwijzigingen ( toepassen van profielen ed.)

2. Gebruik maken van vezelversterkte thermoplasten 3. Gebruik van vezelversterkte thermoharders

Die laatste methode kan een kostbare oplossing zijn maar levert wel zeer hoge stijfheden op (zoals met C-vezels versterkte thermoharders).

8.5.3 Vermoeiing Net als bij metalen kunnen kunststoffen aan vermoeiing bloot staan. Het materiaal zal bij wisselende belasting niet kapot gaan als de rek in het materiaal niet boven de kritische rek uitkomt, zodat er geen crazes ontstaan. Bovendien moet de vermoeiingsfrequentie zo laag zijn, dat er geen opwarming van het materiaal plaats kan vinden. In de praktijk betekent dat meestal zeer lage frequenties en kleine belastingsamplitudes.

Een materiaal dat goed tegen vermoeiing kan is PP (vanwege de hoge kritische rek van ca 2,5%). Deze kunststof wordt vaak gebruik als scharnier.


Mei 2010 161

8.5.4 Slagvastheid De weerstand tegen schokbelastingen is voor veel toepassingen een belangrijke eigenschap. Door een plotselinge schok kunnen materialen (ook metalen) bezwijken. Bij kunststoffen is dat niet anders. De slagsterkte wordt gemeten met een kerfslagproef, en de opgenomen arbeid is dus een maat voor de taaiheid.

De slagsterkte hang af van een groot aantal factoren. Uiteraard van de temperatuur, maar ook van de (gemiddelde) ketenlengte en –oriëntatie, kristalliniteit, inwendige spanningen, kwaliteit van de kerf, gebruik van vulstoffen enz.. Desalniettemin kan gezegd worden dat glasachtige amorfe polymeren (zoals PS en PMMA) brosser zijn dan kristallijne (PTFE, PP, PE). Een typische uitzondering hierop is PC, dat een zeer hoge slagvastheid bezit. Door toevoeging van kleine rubberdeeltjes door mengen of copolymerisatie kan de slagvastheid aanmerkelijk verbeterd worden.

Figuur 8.18 Rubberdeeltjes in polystyreen

8.5.5 Overige eigenschappen Vanwege de beknoptheid van dit dictaat worden hier nog slechts enkele eigenschappen genoemd waarmee kunststoffen zich kunnen onderscheiden van metalen en keramische materialen. Voor de ontwerper zijn dit belangrijke eigenschappen.

Wrijving Slijtvastheid Brandgedrag Uitzetting Warmtegeleiding (isolatie) Elektrische geleiding Maximale gebruikstemperatuur Optische eigenschappen Milieueigenschappen (recycling, corrosie) Gasdoorlaatbaarheid >>>>>


162 Mei 2010

8.6 Vormgevingstechnieken

Voor het maken van een massaproduct is een economisch verantwoorde productietechniek een vereiste. Voor kunststofproducten is dat niet anders. Er zijn een aantal productietechnieken die er zeker toe hebben bijgedragen dat kunststofproducten zo populair zijn.

De vormgevingstechniek van kunststof producten hangt niet alleen af van de vorm van het product, maar ook van de soort kunststof (de eigenschappen). Allereerst natuurlijk of we een thermoharder of een thermoplast hebben, maar ook –voor thermoplasten– of we te maken hebben met kristalliniteit, met een kort of lange rubberfase enz.

Hier bespreken we alleen de belangrijkste verwerkingstechnieken, te weten:.

Voor thermoplasten 1. Spuitgieten 2. Rotatiegieten 3. Extrusie (blaasextrusie, folieblazen, draadmantelextrusie, coextrusie) 4. Kalanderen en kalandercoaten 5. Thermovormen (vacuümvormen)

Voor thermoplasten en thermoharders

6. Schuimen 7. Lassen en lijmen

Voor Thermoharders 8. Persen 9. Handlay-up methode

Voor de overige productietechnieken wordt verwezen naar de literatuur.

Dit geldt ook voor de beschrijving en verwerking van vezelversterkte kunststoffen

Bij de bespreking van de verschillende methodes gaan we ervan uit dat de uitgangsproducten goed voorbewerkt zijn, dat wil zeggen dat kunststofmassa goed homogeen is en, –voor thermoplasten– goed verkleind tot korrels of granules.

Hogeschool Utrecht Literatuur

Mei 2010 163

9. Literatuur Industriele productie Kals,HJJ; Lutterveld, CA van; Moulijn, KA; Buiting-Csikos, Cs Academic Service, 2007 Materials Science and Engineering William D Callister John Wiley and Sons, 2010 Metaalkunde Deel 1 en 2 G den Ouden, B.M. Korevaar VSSD, Delft. 2005,2000 Polymeren, van keten tot kunststof A.K. van der Vegt DUM, Delft 1992 A de Vegt.


164 Mei 2010


Mei 2010 165

10. Vragen

10.1 Algemeen materialen 1) Wat versta je onder het vulkaniseren van rubber?

2) Welke atoombinding is verantwoordelijk voor het reversibel temperatuurgedrag van een thermoplast?

3) Wat versta je onder kristallisatie bij kunststoffen?

4) Wat is de betekenis van het glaspunt bij kunststoffen?

5) Noem de 4 belangrijkste “bulk”- kunststoffen en geef de structuurformule ervan

6) Wat is het verschil tussen een rubber en een thermoharder?

7) Waarom is een kunststof een isolator?

8) Waarom hebben thermoplasten snel last van kruip?

9) Waarom zijn bouten van kunststof minder geschikt als constructiemateriaal

10) Noem de voorwaarde(n) die nodig zijn om rekristallisatie te krijgen.

11) Wat zijn de voordelen van het toepassen van een fijnkorrelig materiaal?

12) Waardoor ontstaat bij een metaal(legering) korrelgroei

13) Stel je hebt een constructie van een aluminiumlegering (bijvoorbeeld een container). Het materiaal is door een of andere bewerking grofkorrelig. Kun je dat weer fijnkorrelig maken? Zo ja, hoe; zo nee waarom niet?

14) IJzer vertoont allotropie. Welke structuurverandering treedt op bij langzame afkoeling van 1000 °C naar kamertemperatuur?

15) Treedt hierbij (zie vorige vraag) extra volumeverandering op?

16) Welk van de drie roosters KRG, KVG of HDP (=HCP) is bij kamertemperatuur het gemakkelijkst te vervormen en waarom is dat zo?

17) Wat is het verschil tussen anisotropie en textuur?

18) Hoe verandert de elektrische weerstand van een metaal bij verhoging van de temperatuur? Motiveer je antwoord.

19) Kruip bij metalen treedt pas op als de temperatuur hoog genoeg is. Hoe hoog moet de temperatuur zijn? Bereken de kruiptemperatuur van lood en van aluminium.

20) Kunststoffen vervormen gemakkelijk onder belasting. Hoe komt dat?

21) Veel transparante plastic producten vertonen na verloop van enige tijd een verschijnsel alsof het sterk bekrast is. Wat zou dat zijn?

Hogeschool Utrecht Vragen

166 Mei 2010

22) Wat zijn semi-kristallijne kunststoffen? Welke vormgevingstechnieken zijn minder geschikt voor semi-kristallijne kunststoffen? Waarom?

23) Geef een definitie van staal en van gietijzer.

24) Staal met 0,8% C (= gereedschapsstaal) wordt verwarmd tot 800 °C en vervolgens langzaam (in lucht) afgekoeld. Bij 800 °C heeft is de structuur austeniet. Wat gebeurt er met de structuur bij het afkoelen? Wat gebeurt er met de koolstof?

25) Wat is normaalgloeien en welk nut heeft dit? Met welke proef maak je de effecten zichtbaar?

26) Wat is veredelen en toon in een trekkromme hoe je verwacht dat de eigenschappen veranderen.

27) Wat is ferriet?

28) Wat is het doel van ontlaten?

29) Wat is cementiet?

30) Wanneer en waarom is ontlaten nodig?

31) Is de hardheid van staal in gegloeide toestand ook afhankelijk van het koolstofgehalte? Zo ja, hoe dan?

32) Staal is ijzer, gelegeerd met koolstof (ongelegeerd staal bevat max. 1,5% C + allerlei andere elementen in (zeer) kleine hoeveelheden) Hoe is die koolstof aanwezig in de staalstructuur austeniet?

33) Waarom neemt de hardheid / sterkte toe bij het vervormen van een metaal?

34) Wanneer pas je het “normaalgloeien” van staal toe?

35) Wat is de betekenis van diffusie in een vast metaal?

36) Zit er ruimte tussen de atomen in een metaalrooster en welke praktische betekenis zou dat kunnen hebben?

37) In tegenstelling tot metalen neemt de elektrische weerstand bij kunststoffen juist af bij toenemende temperatuur. Verklaar dat.

38) Wat is anisotropie en wat is het verschil met textuur.

39) Welke invloed heeft textuur in een gewalste plaat metaal op de vervorming?

40) Wolframdraad in een gloeilamp wordt vervormd (getrokken) bij 1100 °C Noem je dat warm- of koudvervorming?

41) Waarom kun je lood bij kamertemperatuur vrijwel onbeperkt vervormen , en een stalen paperclip niet?

42) Wat is het effect van kristallisatie op de sterkte bij kunststoffen?

43) Waarop is een metaalbinding gebaseerd?

44) Wat is martensiet.


Mei 2010 167

45) Wordt een metaal door koudvervormen stijver, taaier, harder, fijnkorrelig of juist grofkorrelig?

46) Welke van de volgende zaken heeft het meest te maken met de mate van koudvervormbaarheid? het smeltpunt - de structuur - de hardheid - de dichtheid

47) Wat is het verschil tussen kristallisatie en rekristallisatie?

48) Welke structuur zie je bij kamertemperatuur in de microscoop als je staal met 0,4% C langzaam afkoelt vanaf 1000 °C

49) In een kristalrooster zijn veel afwijkingen van het ideale patroon, de roosterfouten Noem er een aantal en geef kort een belangrijke praktische of technische betekenis ervan

50) Is de hardheid van staal in gegloeide toestand ook afhankelijk van het koolstofgehalte? Zo ja, hoe dan?

10.2 Mechanische eigenschappen 1) Kun je de hardheid van een materiaal gebruiken om de sterkte ervan te bepalen? Zo ja

hoe, en zijn er beperkingen?

2) Kun je de kerfslagwaarde gebruiken om daarmee de sterkte van een materiaal te gebruiken?

3) Welke methode van bepalen van de hardheid is geschikt voor het meten van gehard staal?

4) Welke hardheidsmethode geeft de minste beschadiging aan het metaaloppervlak?

5) Welke informatie kun je uit een kerfslagproef halen?

6) Wat wordt verstaan onder de “overgangstemperatuur“ als we het over de kerfslagproef hebben?

7) Welke hardheidsmethode kies je als je de hardheid van een klein structuurbestanddeel wilt meten?

8) De hardheid HRC ligt tussen de waarden 20 en 70 (zie dictaat figuur 5.17 punt 10: HRC = 100-e) Hogere en lagere waarden zijn onbetrouwbaar en tellen niet mee. Hoe komt dat?

9) Een messing staaf (10 x 13 mm, lengte 75 mm ) heeft een rekgrens van 345 MPa en een E-modulus van 103 GPa a) Wat is de maximale elastische belasting? b) En wat is dan de lengte?

10) Een stalen staaf (diameter 10 mm) in een statische constructie heeft een rekgrens van 400 N/mm2. Wat mag de maximale belasting als de veiligheidsfactor 1,4 is?


168 Mei 2010

11) Een 1 m lange stalen staaf (diameter 10 mm, E-modulus = 210GPa) wordt elastisch belast. Bereken de lengte bij een belasting van 40000 N.

12) Het oppervlak onder de trekkromme geeft de hoeveelheid verrichte arbeid weer. Elastische arbeid is terugwinbaar en kan gebruikt worden voor een veer. Wel van de volgende materialen is –uitsluitend op grond van deze eigenschap- geschikter om energie in op te slaan en af te geven? staal E = 210.000 MPa, Re = 275 MPa messing E = 105.000 MPa, Re = 200 MPa

13) In bijgaande figuur zijn 6 trekkrommes getekend. Teken in deze figuur hoe de gevraagde eigenschap (bij de figuur vermeld) verandert

14) Bepaal uit de volgende grafiek

• de rekgrens,

• de treksterkte,

• de elasticiteitsmodulus,

• de breekrek,

• de insnoering

• de ware spanning bij breuk.

Gegeven: L0 = 5 x D0; D0= 10 mm, na breuk wordt gemeten: DU= 7 mm


Mei 2010 169

15) Vul de onderstaande tabel over hardheid in.

Brinell Rockwell B Rockwell C Vickers

Meeteenheid

Indruklichaam

Meetprincipe

Toepassingen

geschikt voor gehard staal? ja/nee


170 Mei 2010

10.3 Vervaardigingstechnieken

1) Welke productietechnieken van kunststof is gebruikelijk voor de productie van a. bierkrat, b. behuizing van een boormachine, c. vuilniszak, d. ligbad, e. lichtschakelaar

2) Wat is kalanderen?

3) Noem een paar (bekende)producten die gemaakt zijn dmv thermovormen

4) PE is niet of veel minder goed lijmbaar dan PVC. Hoe komt dat?

5) Hoe wordt de twee-kleurige mantel van elektriciteitsdraad aangebracht (zoals bij een geel-groene aarddraad).

6) Wat wordt met de vervormingstechniek FORCEREN bedoeld. Noem een typisch geforceerd product.

7) Metalen tubes (zoals bijvoorbeeld voor tandpasta) zijn vaak van een aluminiumlegering (Al met een klein beetje mangaan). Met welke vormgevingstechniek worden deze gemaakt?

8) Noem 3 redenen waarom (wanneer) je een gietproduct zou toepassen

9) Wat is het verschil tussen coquillegieten en spuitgieten

10) Wat is het belangrijkste verschil tussen ponsen en knippen?

11) Wat versta je onder booglassen?

12) Weerstandlassen van staal op roestvaststaal is mogelijk. Is een verbinding van staal op aluminium met dit proces ook mogelijk (korte motivatie)

13) Noem 4 verschillende lasprocessen waarbij het gebruik van toevoegmateriaal niet nodig is of niet kan en 4 processen waarbij altijd toevoegmateriaal aanwezig is

14) Wat is TIG?

15) Wat is weerstandlassen en geef een voorbeeld van een toepassing van dit proces.

16) “Deze laselektrode heeft een rendement van 180%” Is deze uitspraak correct? En zo ja, hoe zit dat dan?

17) Is autogeen snijden van aluminium mogelijk? (geef een korte motivatie)

18) Wat is draadvonken en wanneer pas je dat toe?


Mei 2010 171

19) Noem twee materiaaleigenschappen die belangrijk zijn bij het verspanen

20) Waarom is een juiste vrijloophoek belangrijk?

21) Waarom is een juiste spaanhoek belangrijk?

22) Vergelijk het frezen met boren

23) Wat is het verschil tussen mee en tegenlopend frezen en wanneer pas je de ene, dan wel de andere techniek toe?

24) Welke spaantypen hebben de voorkeur en waarom?

25) Waarom zijn thermoharders niet te lassen en thermoplasten wel?

26) Veel klinkverbindingen zijn in de loop van de tijd vervangen door lasverbindingen. Noem minimaal 3 redenen daarvoor.

27) In een vliegtuig worden voor de romp en vleugels geen (zelden) lasverbindingen toegepast. Waarom niet, welke verbinding en dan wel?

28) Wat is slink en wat is de oorzaak?

29) Hoe voorkom je slinkholtes?

30) Wat is het belangrijkste verschil tussen dieptrekken en duntrekken?

31) Welke metalen/legeringen kunnen geëxtrudeerd worden?

32) Wat is automatenstaal?

33) Noem de productietechnieken voor de fabricage van de volgende producten (vanuit de grondstof), Soms zijn er meer mogelijkheden.

34) Waaraan herken je een gespuitgiet, geblazen of gethermovormd product?

35) Wanneer pas je de verlorenwasmethode toe?


172 Mei 2010

Hogeschool Utrecht Trefwoorden

Mei 2010 173

11. Trefwoordenlijst

trefwoord betekenis hoofdstuk 0,2% rekgrens, Rp0,2: De spanning waarbij het materiaal 0,2% plastische rek heeft.

In de praktijk is dit de spanning waarboven vervorming gaat optreden. Het wordt gebruikt als maat voor het berekenen van de sterkte.

5

Adhesie Aantrekking tussen atomen of moleculen van verschillende soort

2

Allotropie Het verschijnsel dat een element meerdere kristalstructuren kan aannemen, afhankelijk van de temperatuur

2.5

Amorf: Toestand van vaste stof zonder kristallijne structuur. (bijv glas en de meeste kunststoffen)

2.3

Anisotroop Tegengestelde van isotroop: de eigenschappen zijn afhankelijk van de richting. Een kristal is ansiostroop Let op: een kristallijne stof zoals een metaal bestaat uit vele miljarden kristalletjes die ieder afzonderlijk anisotroop zijn, het geheel is vaak toch isotroop

2.6

Breekrek, A: Een maat die een indicatie geeft van de mate waarin men een materiaal kan vervormen voordat het breekt.

5.3

Coëxtrusie Extrusieproces waarbij twee (of meer) aparte stromen materiaal in het product samenvloeien (met name bij kunststoffen)

Cohesie Aantrekking tussen atomen of moleculen van dezelfde soort Composiet: Een constructiemateriaal dat uit verschillende andere

materialen is opgebouwd bijvoorbeeld beton = cement met zand en grind of glasvezel versterkt polyester.

1.2

Copolymeeer: Een kunststof die bestaat uit twee of meerverschillende monomeren, al of niet regelmatig gerangschikt in de keten.

8.2.3

Covalente binding: Chemische waarbij de valentie-elektronen door beide atomen worden gedeeld en hierdoor een verbinding tussen beide atomen vormen. (Bijvoorbeeld: C met 4 H-atomen)

2.2.2

Craze: Een onomkeerbare beschadiging in het materiaal: een verdunning in het materiaal die eruit zien als kleine haarscheurtjes. Uiteindelijk treedt hierdoor brosse breuk op.

8.4.3

Diffusie. Transport van massa door atoombewegingen (De atomen bewegen door het materiaal)

2.8.1

Dislocatie. Een ordeningsfout in de een kristalrooster die veroorzaakt wordt door onregelmatige stapeling van atomen.

2.8.2

Drempelwaarde Deformatiegraad (hoeveelheid deformatie) waarbij op een bepaalde temperatuur net rekristallisatie mogelijk is. Om rekristallisatie te krijgen moet wel de temperatuur een minimale waarde hebben (T > 0,4xTm in K) Bij een deformatie onder de drempelwaarde treedt alleen versteviging op.

3.3.2

Dynamische beproeving

Een beproeving waarbij de belasting met een schok wordt aangebracht. Hierbij is de optredende kracht vaak onduidelijk, er wordt eigenlijk een bepaalde energie op het werkstuk losgelaten.

5.2

3.4


174 Mei 2010

Dynamische rekristallisatie

continu proces van vervormen en rekristallisatie, zoals bij het warmwalsen van staalplaat gebeurt.

Eenheidscel. De kleinste repeterende volume-element van het ruimtelijke netwerk waarmee de ruimte gevuld kan worden. Meerdere van eenheidscellen bij elkaar worden het kristalrooster genoemd.

2.3

Elasticiteitsmodulus, E:

Dit is de (theoretische) spanning (N/mm2) waarbij het materiaal 100% elastische rek zou vertonen. De meeste materialen zijn dan echter al plastisch vervormd. Bij elastiek kun je dit echter wel letterlijk nemen.

5.3.1

Extrusie Productieproces waarbij het materiaal onder druk continu door een matrijsopening wordt geperst teneinde hiermee een langwerpig profiel te produceren (tweedimensionaal product).

8.6.1

Glaspunt: De temperatuur waarbij een kunststof overgaat van een harde glasachtige toestand naar een zachte rubberachtige toestand. De E-modulus verandert daarbij sterk. Het toepassingsgebied voor een thermoplast ligt onder het glaspunt

8.3

Glijvlak Vlak waarover de atomen afschuiven bij aanbrengen van voldoende belasting

2.5

Hardheid Weerstand die een materiaal heeft tegen blijvende vervorming door indrukking

5.4

HDP (HCP). Hexagonaal Dichtste Pakking. Kristalrooster, waarbij atomen op de hoekpunten van een zeshoekige zuil zitten en (verschoven) op halve hoogte. Het is, samen met KVG een manier om een aantal bollen te stapelen met een minimum aan ruimte). (zie ook KRG en KVG)· (komt bij metalen voor, o.a. bij Mg, Ti, Zn en Cd)

2.3.3

Heetelementlassen Lastechniek waarbij de te verbinden vlakken van de kunststof week gemaakt worden met behulp van een te verwarmen element (gloeidraad, plaat,…).

8.6.7

Herstelgloeien Gloeibehandeling waarbij de inwendige spanningen (ontstaan door lassen, buigen, ed) verlaagd worden. Er treedt geen rekristallisatie op

3.3.1

Insnoering, Z: Het percentage waarmee het oppervlak is afgenomen in de gebroken doorsnede na de trekproef. Het is een maat die een indicatie geeft hoever een materiaal heel plaatselijk kan vervormen voordat het scheurt. Bijvoorbeeld bij het omzetten van plaat.

5.3.1

Interstitiëel. Zie mengkristal 2.8.1 Ionenbinding: Chemische bindingen tussen positief en negatief geladen ionen.

Bijvoorbeeld NaCl: staat een elektron af aan Cl, waardoor beide ionen tegengesteld geladen zijn en elkaar aantrekken.

2.2.1

Isochroon: Een lijn in een grafiek die het verband tussen de aangelegde spanning en de resulterende rek na een bepaalde tijd aangeeft

Isotroop Een materiaal is isotroop als de eigenschappen onafhankelijk zijn van de richting. Volledig amorfe materialen, zoals glas, zijn isotroop

2.7.4

Kalanderen Productieproces met walsen voor het vervaardigen van kunststoffolies (en papier)

8.6.3

Kerfslagarbeid Arbeid die een kerfslagstaaf opneemt bij de kerfslagproef (dimensie J)

5.6.4

Kerfslagwaarde Kerfslagarbeid per cm2 (dimensie J/cm2) 5.6.4


Mei 2010 175

Korrel Bij stolling begint de stolling ergens in een vloeistof: een kiem. Deze kiem groei uit tot een korrel (of kristalliet). De ene korrel onderscheidt zich van de andere door oriëntatieverschil van het rooster

2.7

Korrelgroei Groter worden van bepaalde kristallen (korrels) in een materiaal ten koste van andere, waardoor de totale oppervlakte-energie afneemt

3..3.3

Koudvervormen Vervormen beneden de rekristallisatietemperatuur 3.4 Kracht-weg diagram: Een trekkromme waarbij langs de assen de meeteenheden

kracht en verlenging zijn uitgezet. Direct vergelijk van materiaaleigenschappen uit deze kromme met andere willekeurige krommen is niet goed mogelijk.

5.3

KRG. Kubisch Ruimtelijk Gecentreerd. Kristalrooster, waarbij atomen in de eenheidscel op de hoekpunten en op de middens van de lichaamdiagonaal van een kubus zitten. (zie ook KVG en HDP) (komt veel bij metalen voor, o.a. bij Cr, W, α-Fe)

2.3.2

Kristalrooster. De herhalende manier waarop de atomen of moleculen van een bepaalde stof in vaste toestand gerangschikt zijn. Bij atomen spreekt men wel van een atoomrooster en bij moleculen van een molecuulrooster. Een rooster is een verzameling eenheidscellen

2.3

Kritische deformatiegraad

zie drempelwaarde 3.3.2

Kritische rek: Rek die niet mag worden overschreden (ook niet na verloop van tijd) indien men crazing wil voorkomen.

8.4.3

Kruip. Langzame toename van de rek als gevolg van een aanwezige constante belasting, uiteindelijk breuk tot gevolg hebbend.

5.8

Kruipsterkte De hoogste spanning die een materiaal bij een bepaalde temperatuur blijvend kan verdragen

5.8

KVG. Kubisch Vlakken Gecentreerd. Kristalrooster, waarbij atomen op de hoekpunten en op de middens van de zijvlakken van een kubus zitten. (zie ook KRG en HDP) (komt veel bij metalen voor, o.a. bij Ni, Cu, Al, Pb, γ-Fe)

2.3.1

Legering. Combinatie van een metaalatoomsoort met andere metaal of molecuulsoorten. We spreken over basismetaal en legeringselement.

2.8.1 4.1

Lijnfout. Een fout in het kristalrooster waarbij de roostervlakken ten opzichte van elkaar zijn verschoven. De lijnvormige begrenzing van die vlakken noemt men de dislocatie.

2.8.2

Meetlengte: Het gedeelte van de trekstaaf waarover de verlenging tijdens de trekproef wordt gemeten.

Mengkristal. Een homogene kristallijne fase die bestaat uit 2 of meer atoomsoorten. Men onderscheidt een substitutioneel mengkristal waarbij de atomen op de roosterplaatsen zitten (elkaar dus vervangen) en een interstitiëel mengkristal waarbij kleine atomen in de holtes zitten tussen de grotere.

4.6.2

Mengsel. Een combinatie bestaande uit 2 of meer atoom-of molecuulsoorten, die in beginsel mechanisch van elkaar zijn te scheiden.

4.6.2


176 Mei 2010

Metaalbinding: Een chemische binding tussen metalen waarbij de valentie-elektronen zich vrij tussen de metaalionen bewegen. De metaalionen delen dus elkaars valentie-elektronen.

Monomeer: Kleinste basiseenheid (molecuul) waaruit het polymeer is opbebouwd. Bijvoorbeeld monomeer etheen voor polytheen

Normaalspanning: Een spanning (σ) waarbij de kracht loodrecht op het oppervlak werkt.

Oplosharding Sterkte en hardheidstoename van een metaallegering door oplossen van andere atomen in het rooster van een basiselement (in de vaste toestand)

Overgangskromme Het grafische verband tussen de kerfslagarbeid en de temperatuur bij ongelegeerd en laaggelegeerd staal. Deze materialen zijn taai bij hogere en bros bij lagere temperaturen.

Overgangstempera-tuur

Temperatuur waarbij de waarbij de taaiheid 50% is van het verschil tussen het taaie en het brosse niveau van de overgangskromme

Polycondensatie Reactie tussen hars en harder waarbij naast de gewenste kunststof (thermoharder) ook een bijproduct (condensaat) ontstaat (vaak water)

Polymerisatie Algemene naam voor het maken van kunststof Specifiek: het aaneenrijgen van monomeren tot een ketenvormige kunststof

Puntfout. Fout in een kristalrooster, die zich op één punt bevindt (z.g. nul-dimensionale fout) voorbeelden zijn: vacatures en interstitiëel of substitutioneel geplaatste vreemde atomen

Rek: De procentuele toename van de lengte. Als de rek in fractie wordt uitgedrukt spreekt man van de specifieke rek. In de “Wet van Hooke” moet altijd de specifieke rek worden ingevuld.

Rekristallisatie. Vorming van nieuwe spanningsvrije korrels na voorafgaande vervorming in de vaste toestand. Meestal is een gloeibehandeling nodig om dit proces te realiseren.

Rooster De wijze waarop de atomen in de vaste stof in een regelmatig patroon gerangschikt zijn.

Rubbers: Polymeren bestaand in beginsel uit enkelvoudige ketens, waartussen bruggen zijn aangebracht door vulkanisatie. Hierdoor ontstaat een min of meer ijl netwerk.

Spanning-rek diagram:

Een trekkromme waarbij langs de assen materiaaleigenschappen staan uitgezet. Uit de curve kan direct een inschatting van de materiaaleigenschappen worden gemaakt.

Spanningrelaxatie: Uit zichzelf optredende verlaging van de spanningen die in een kunststof is aangebracht zonder verandering van de lengte.

Spanningsarm gloeien

zie herstelgloeien

Spuitgieten Productieproces waarbij het materiaal in vloeibare toestand onder druk in een matrijsholte wordt geperst (levert mogelijk een driedimensionaal product).

Substitutioneel. Zie mengkristal Tau = τ: Een spanning waarbij de kracht evenwijdig aan het oppervlak

werkzaam is. (afschuifspanning)


Mei 2010 177

Thermoharder: Polymeer bestaand uit netwerken van ketens; de vorming van deze netwerken vindt plaats bij temperatuurverhoging en wordt uitharding genoemd. Bij temperatuurverhoging blijft het materiaal hard, totdat degradatie optreedt: dit is niet omkeerbaar.

Thermoplast: Polymeer bestaand uit enkelvoudige ketens die vloeibaar worden bij temperatuurverhoging en bij afkoeling weer een vaste vorm aannemen (reversibel proces).

Treksterkte, Rm: Dit is de maximale spanning die het materiaal kan verdragen. Boven deze spanning zal het materiaal breken.

Vermoeiing Scheurvorming die tot breuk leidt, bij relatief lage spanning, van constructies die een voortdurend wisselende (cyclische) belasting ondergaan

Vermoeiingsgrens De maximum trekspanning die een materiaal (eeuwigdurend wisselend) kan hebben zonder te bezwijken

Versteviging. Verhoging van de sterkte door deformatie (vervorming). Hierdoor ontstaan extra dislocaties, die elkaar hinderen in de beweging.

Visco-elasticiteit: Gedrag van een kunststof onder belasting waarbij vertraagd rek optreedt en na ontlasten weer vertraagde terugvering optreedt.

Viscositeit: Evenredigheidsfactor die het verband aangeeft tussen de spanning en de vervormingssnelheid van vloeistoffen. Andere naam voor vloeibaarheid

Vulkanisatie: Het aanbrengen van dwarsverbindingen (bruggen, cross-links) in een thermoplast met behulp van een hulpstof. Door de dwarsverbinding wordt het een rubber of een thermoharder Voorbeeld: zwavelbruggen maken van latex (thermoplast) een rubber

Ware spanning: De spanning in een trekstaaf, gebaseerd op de diameter op het moment van meten. Dit in tegenstelling van de nominale spanning (bijv. de terksterkte) waarbij je altijd door de begindoorsnede deelt.

Warmvervormen. Vervormen (deformatie) bij een zodanige temperatuur dat er rekristallisatie optreedt (voor staal is dit vaak meer dan 700 °C, voor zuiver lood kan dit al bij kamertemperatuur).


178 Mei 2010


Mei 2010 179

12. Antwoorden op de vragen uit hoofdstuk 10

12.1 Algemeen materialen

1 Wat versta je onder het vulkaniseren van rubber? Het aanbrengen van dwarsverbindingen in een ketenvormige uitgangsproduct (bijv. thermoplast), waardoor een netwerk ontstaat. Deze dwarsverbindingen bestaan bij rubber vaak uit enkele zwavelatomen. Het aantal dwarsverbinding bepaalt de flexibiliteit (dus moet het aantal dwarsverbindingen voor rubber beperkt blijven.)

2 Welke atoombinding is verantwoordelijk voor het reversibel temperatuurgedrag van een thermoplast? De Van der Waals-binding

3 Wat versta je onder kristallisatie bij kunststoffen? Bij sommige thermoplasten (zoals PE) kunnen de ketens in vaste toestand “netjes”naast elkaar liggen, waardoor over een grotere afstand enige regelmaat inde structuur te zien is . Dit noemt men kristallisatie, maar wijkt natuurlijk nogal af van de kristallen zoals die bij metalen voorkomen.

4 Wat is de betekenis van het glaspunt bij kunststoffen? Het glaspunt markeert de overgang tussen de harde(glas)-fase en de zachte (rubber)fase en is dus van belang voor verschillende productietechnieken en voor het toepassingsgebied.

5 Noem de 4 belangrijkste “bulk”- kunststoffen en geef de structuurformule ervan PE = (C2H4)n, PP = (C3H6)n, PVC = (C2H3Cl)n, en PS = (C8H8)n,

6 Wat is het verschil tussen een rubber en een thermoharder? Een rubber ontstaat door een thermoplast met meerdere dubbele bindingen of met drievoudige bindingen chemisch met elkaar te verbinden (vernetten, vulkaniseren) tot een ijl netwerk, waardoor er flexibiliteit ontstaat. Het netwerk van een thermoharder is veel minde ijl.

7 Waarom is een kunststof een isolator? De elektronen zijn gebonden door de covalente binding en kunnen niet gemakkelijk onder invloed van een elektrisch veld uit hun baan komen

8 Waarom hebben thermoplasten snel last van kruip? Dat is het gevolg van het feit dat de Van der Waalskrachten die de ketens bindt relatief klein zijn, waardoor de ketens langs elkaar kunnen verschuiven (zie dictaat)

9 Waarom zijn bouten van kunststof minder geschikt als constructiemateriaal? Een bout komt (in werking) onder spanning te staan (hij wordt een beetje uitgerekt). Gedurende de tijd zal door het visco-elastische gedrag en kruip de spanning minder

Hogeschool Utrecht Antwoorden

180 Mei 2010

worden (relaxatie), totdat de bout los zit. In het begin gaat dat loszitten vrij snel, de bout moet worden aangedraaid. Herhaald aandraaien leidt uiteindelijk tot breuk

10 Noem de voorwaarde(n) die nodig zijn om rekristallisatie te krijgen. Rekristallisatie = opnieuw vormen van kristallen (korrels ) in de vaste toestand. Dit treedt op door eerst voldoende te vervormen en dan te gloeien bij een temperatuur hoger dan ca 0,4 x Tsmelt (in K) Door deformatie neemt het aantal dislocaties toe; door de rekristallisatie neemt het aantal dislocaties weer af tot een zekere minimale waarde. De drijvende kracht is de energieverhoging die door de vervorming in het materiaal wordt gebracht en weer vrij komt bij rekristallisatie.

11 Wat zijn de voordelen van het toepassen van een fijnkorrelig materiaal? Een fijnkorrelig materiaal heeft een hogere rekgrens en een hogere taaiheid. Bij het vervormen van fijnkorrelig plaatmateriaal blijft het oppervlakt mooi glad, en door de hogere taaiheid kan er ook verder (meer ) vervormd worden.

12 Waardoor ontstaat bij een metaal(legering) korrelgroei Grofkorrelig worden is een natuurlijke neiging van (fijn)korrelige metalen omdat daardoor de energietoestand wordt verlaagd. Grote korrels (bollen) hebben immers een lagere oppervlakte/inhoud verhouding dan kleine korrels. (dus minder oppervlakte-energie) Korrelgroei wordt pas merkbaar als je voldoende lang gloeit bij voldoend hoge temperatuur. Zo geldt bij staal bijvoorbeeld dat korrelgroei al na enkele seconden bij 1300 °C goed zichtbaar is, maar pas na een uur op 800 °C. (Korrelgroei betekent dat de gemiddelde korrelgrootte toeneemt: sommige korrels worden groter ten koste van hun omgeving)

13 Stel je hebt een constructie van een aluminiumlegering (bijvoorbeeld een container). Het materiaal is door het lassen plaatselijk grofkorrelig geworden. Kun je dat weer fijnkorrelig maken? Zo ja, hoe; zo nee waarom niet? Je moet er in zo’n geval vanuit gaan dat je de container als zodanig niet wil beschadigen! Het antwoord is dus , NEE Door gloeien wordt het materiaal alleen maar grofkorreliger! En rekristallisatie kan alleen optreden als je vooraf de zaak voldoende deformeert! NB: DIT GELDT VOOR MATERIALEN DIE GEEN FASEOVERGANG IN DE VASTE TOESTAND KENNEN, zoals (legeringen van) Al, Cu, Ni. Bij constructiestaal en Ti(legeringen) geldt dat dit wel kan door alleen een gloeibehandeling. Bij staal heet die warmtebehandeling normaalgloeien

14 IJzer vertoont allotropie. Welke structuurverandering treedt op bij langzame afkoeling vanaf 1000 °C naar kamertemperatuur? van KVG naar KRG

15 Treedt hierbij (zie vorige vraag 14) extra volumeverandering op? Ja , het volume neemt toe KVG is een dichtstgepakte structuur en KRG niet; Aangezien bij de transformatie het aantal atomen gelijk blijft moet het volume toenemen.

16 Welk van de drie roosters KRG, KVG of HDP (=HCP) is koud het meest te vervormen en waarom is dat zo?


Mei 2010 181

KVG is het beste vervormbaar het heeft 4 verschillende dichtgepakte vlakken (de diagonaalvlakken) met ieder 3 dichtstgepakte richtingen (dus 12 glijrichtingen, en er is er altijd wel een die gunstig ligt (maw in de richting van de vervorming) KRG heeft ook 12 glijrichtingen , maar die zijn iets minder dichtgepakt en daardoor iets minder goed vervormbaar, wat in de prakrijk nauwelijks merkbaar is. HDP heeft er slechts 3 (1 vlak); de vervormbaarheid is veel minder goed bij kamertemperatuur; vervorming leidt sneller tot breuk.

17 Wat is het verschil tussen anisotropie en textuur? Anisotropie betekent: Eigenschappen zijn richtingsafhankelijk. Bij een éénkristal (monokristallijn = 1 korrel) is dat per definitie zo. Bij een normaal metaal, of legering heeft men altijd te maken met een polykristallijn materiaal waardoor her materiaal als geheel zich isotroop gedraagt. Door walsen, gieten, smeden, etc. krijgen de eigenschappen weer een voorkeursrichting: dit noemen we textuur. Textuur leidt weer tot anisotropie.

18 Hoe verandert de elektrische weerstand van een metaal bij verhoging van de temperatuur? Motiveer je antwoord Die neemt toe. Stroom ontstaat door overdracht van energie door elektronentransport. Deze elektronen beweging zich op speciale energieniveaus (in “banden” op zekere afstand van de atoomkern). Hoe meer fouten er in een rooster zitten (door vervorming, door legeren) des te slechter wordt de geleiding omdat dit de “banden) verstoord. Bij verhoging van de temperatuur gaan de atoomkernen harder trillen en ontstaan er meer roosterfouten toename elektrische weerstand = daling van het geleidingsvermogen

19 Kruip bij metalen treedt pas op als de temperatuur hoog genoeg is. Hoe hoog moet de temperatuur zijn? Bereken de kruiptemperatuur van lood en van aluminium. De temperatuur moet > 0.4xTsmelt (K) zijn. Smeltpunt van zuiver Al is 660 °C = 933 K 0,4 * 933= 373 K = 100 °C Smeltpunt van lood is 327 °C = 600 K 0,4 * 600= 240 K = -33 °C

20 Kunststoffen vervormen gemakkelijk onder belasting. Hoe komt dit? Het materiaal (met name thermoplasten) vertoont bij kamertemperatuur al bij zeer lage belastingen kruip Toelichting: Thermoplasten vertonen een zogenaamd visco-elastisch gedrag. Dat betekent dat ze tegelijkertijd viskeuze (vloeistof toestand) en elastische eigenschappen (vaste stof toestand) laten zien Voor de vloeistoftoestand geldt: de spanning is evenredig met de reksnelheid (wet van Newton, Newtonse vloeistoffen) De evenredigheidsconstante noemt men de viscositeit

viscositeit η η heeft een dimensie van Ns/mm2 (Pas)

Voor de elastische toestand geldt: de spanning is evenredig met de rek (wet van Hooke). Deze evenredigheidsconstante is de elasticiteitsmodulus elasticiteitsmodulus E E heeft de dimensie van een spanning (N/mm2 ).


182 Mei 2010

De rek ε is een dimensieloos getal en wordt gedefinieerd als de relatieve verlenging ∆L/L0. In de toepassing van een thermoplast betekent dit dat bij (geringe) belasting eerst enige elastische rek optreedt (dat is normaal bij alle materialen), maar daarna de rek langzaam maar zeker voortschrijdt (kruip).

21 Veel transparante plastic producten vertonen na verloop van enige tijd een verschijnsel alsof het sterk bekrast is. Wat zou dat zijn? Door de inwendige spanningen in het product en de viskeuze eigenschappen worden de ketens blijvend uiteengetrokken, wat haarscheurtje tot gevolg heeft. Deze noemt men crazes. Uiteindelijk leidt deze scheurvorming tot brosse breuk.

22 Wat zijn semi-kristallijne kunststoffen? Welke vormgevingstechnieken zijn minder geschikt voor semi-kristallijne kunststoffen? Waarom? Kristallijne kunststof: de kunststofketens liggen zodanig regelmatig langs elkaar dat het lijkt of ze kristallen vormen (de atomen liggen in een vast en regelmatig patroon dit komt voor bij metalen) Semi-kristallijn: een deel van de kunststof is kristallijn, bijv voor 60%. Dit is een situatie die bij PE voor kan komen. 100% kristallijn kan niet, de meeste kunststoffen zijn 0% kristallijn (dus amorf). Semikristallijne kunststoffen hebben een vrij kort en minder duidelijk rubbergebied waardoor verwerkingen als kalanderen en thermovormen moeilijker zijn. Er is een te nauwkeurigere temperatuurbeheersing nodig.

23 Geef een definitie van staal en van gietijzer Staal is een wals of smeedbare legering van ijzer met koolstof. minimaal 0,001% tot maximaal 1,5%. Dat walsen gebeurt in principe bij temperaturen tussen 900 en 1100 °C. Bij kamertemperatuur is die koolstof gebonden aan ijzer tot een verbinding, een carbide, Fe3C of cementiet. Gelegeerd staal is staal waaraan ook andere elementen zijn toegevoegd om specifieke eigenschappen te krijgen, zoals roestvaststaal met 0,03%C, 20% Cr en 10% Ni. Gietijzer is een ijzer-koolstoflegering met 2,5 tot ca 4,5% C dat (door die hoeveelheid koolstof) een aanzienlijk lager smeltpunt heeft dan staal (1154 tot ca 1200 °C, in plaats van ca 1500-1550 °C bij staal). De koolstof kan gebonden zijn aan het ijzer tot cementiet, vrij in de matrix zitten als grafiet of beide.

24 Staal met 0,8% C (= gereedschapsstaal) wordt verwarmd tot 800 °C en vervolgens langzaam (in lucht) afgekoeld. Bij 800 °C heeft dit materiaal een structuur die austeniet wordt genoemd. Wat is austeniet? Wat gebeurt er met de structuur bij het afkoelen? Wat gebeurt er met de koolstof? Austeniet is de KVG structuur van staal. De koolstof die hierin aanwezig is, is opgelost in het rooster en bevindt zich in bepaalde holtes tussen de atomen (interstitieel). Bij langzaam afkoelen gaat de structuur over in ferriet en cementiet. De koolstof is in ferriet nagenoeg niet oplosbaar, en vormt bij uittreden uit de austeniet de ijzercarbide cementiet.


Mei 2010 183

De structuur die hierbij gevormd wordt bestaat uit een laagjesstructuur, afwisselend ferriet en cementiet. Deze structuur heet perliet.

25 Wat is normaalgloeien en welk nut heeft dit? Met welke proef maak je de effecten zichtbaar? Normaalgloeien is een warmtebehandeling die tot doel heeft een regelmatige en fijnkorrelige, structuur te realiseren (Opwarmen, een korte tijd gloeien tot alles omgezet is in austeniet (γ) en vervolgens rustig af laten koelen (dus niet te snel, in een koude luchtstroom of iets dergelijks). De gewone structuur bestaat uit ferriet en perliet, de normale structuur voor gegloeid staal.

26 Wat is veredelen en toon in een trekkromme hoe je verwacht dat de eigenschappen veranderen. Veredelen gebeurt door staal met een hoog koolstofgehalte te harden en daarna te ontlaten op hoge temperatuur. Tijdens het ontlaten scheidt de koolstof zich uit tot zeer kleine bolletjes cementiet en bevat de matrix minder koolstof (het is nog geen ferriet, maar het begint er een beetje op te lijken). De matrix zorgt voor een goede taaiheid, terwijl de cementietuitscheidingen voor een hoge sterkte zorgen.

27 Wat is ferriet? Ferriet is de KRG structuur van staal. Hierin is nagenoeg geen koolstof oplosbaar, zodat het bijna zuiver ijzer is. De werkelijke hoeveelheid C in ferriet is bijna altijd groter dan volgens de oplosbaarheid zou kunnen, dat komt omdat bij lagere temperatuur <200 °C de uitscheiding van C uit de structuur heel erg langzaam gaat en bij kamertemperatuur bijna niet plaats vindt.

28 Wat is het doel van ontlaten? Na afschrikken van staal vanaf de hardingstemperatuur (de eerste stap van het harden) is het staal niet alleen hard, maar ook (te) bros (lage rek en kerfslagwaarde). Die brosheid kan worden verminderd door een gloeibehandeling die ontlaten genoemd wordt. Afhankelijk van de gloeitemperatuur en het type staal neemt de hardheid daarbij in een bepaalde mate af.

29 Wat is cementiet? Dit is een verbinding tussen ijzer en koolstof, Fe3C. Het is een carbide en heeft keramische eigenschappen: hard en bros. In constructiestaal komt het voor in perliet, waar het samen met ferriet als platen uitgescheiden wordt. Ingebed in ferriet gedraagt het zich niet meer bros.

30 Wanneer en waarom is ontlaten nodig? Bij het harden wordt staal vanuit het austenietgebied zo snel af gekoeld dat martensiet ontstaat. Dit is –afhankelijk van het C-gehalte- hard en bros (lage rek en kerfslagwaarde). Door gloeien: het ontlaten wordt de brosheid minder. Bij lage gloeitemperaturen (150-200°C) blijft de hardheid nog hoog en met name de kerfslagwaarde neemt toe. Hoge ontlaattemperaturen (450 – ca 650°C) geeft lagere hardheid maar meer rek en kerfslagwaarde.

31 Is de hardheid van staal in gegloeide toestand ook afhankelijk van het koolstofgehalte? Zo ja, hoe dan? Ja, hoe meer C des te hoger de sterkte en hardheid. De sterktetoename komt dan door een toename van de hoeveelheid perliet ten


184 Mei 2010

koste het zachte ferriet. (Perliet is harder van ferriet)

32 Staal is ijzer, gelegeerd met koolstof (ongelegeerd staal bevat max. 1,5% C + allerlei andere elementen in (zeer) kleine hoeveelheden) Hoe is die koolstof aanwezig in de staalstructuur austeniet? Als interstitieel opgeloste atomen De austeniet (KVG structuur) bevat holtes die een fractie kleiner zijn als een koolstofatoom. In die holtes passen C-atomen (maximaal 2,1% bij 1155 °C) De grootste holtes in ferriet zijn veel te klein voor de C. Die C wordt bij langzame afkoeling uit het rooster verdreven en scheidt zich bij staal uit als Fe3C naast de ferriet.

33 Waarom neemt de hardheid / sterkte toe bij het vervormen van een metaal? Bij vervormen treden twee processen op in het kristalrooster, namelijk verplaatsing van dislocaties en vermeerdering van het aantal dislocaties. Dislocaties hinderen elkaars verplaatsing. We merken dit aan een verhoging van de sterkte/hardheid als het aantal toeneemt door vervorming.

34 Wanneer pas je het “normaalgloeien” van staal toe? Belangrijke reden is om een gelijkmatige fijnkorrelige structuur te krijgen. Na smeden, lassen of gieten kan soms een onregelmatige, grove structuur ontstaan met slechte mechanische eigenschappen. Normaalgloeien garandeert dan een redelijke korrelgrootte die belangrijk is i.v.m. de kerfslagwaarde

35 Wat is de betekenis van diffusie in een vast metaal? Diffusie in de vaste stof is verplaatsing van atomen in een rooster. Dit kan een willekeurige beweging zijn, als er geen redenen zijn voor stoftransport, maar ook een heel gerichte, bijvoorbeeld om concentratieverschillen in de vaste stof op te heffen Als de temperatuur laag is gaat de diffusie uiterst langzaam, maar bij hoge temperatuur kan het behoorlijk snel gaan, mede afhankelijk van de grootte van het verplaatsende atoom. Door diffusie worden concentratieverschillen opgeheven, vinden roosterveranderingen plaats, treedt herstel op (spanningen in materiaal nemen af), of rekristallisatie en korrelgroei. De inwendige energie van het materiaal daalt. Door diffusie kunnen verschillende materialen met elkaar verbonden worden tot één geheel en is het mogelijk metaallegeringen te voorzien van slijtvaste of roestvaste oppervlaktelagen. Enz.

36 Zit er ruimte tussen de atomen in een metaalrooster en welke praktische betekenis zou dat kunnen hebben? We beschouwen de atomen in een metaalrooster als “harde” bollen. Bij stapeling zitten er dus allerlei holtes tussen de atomen. Sommige ervan zijn groot genoeg om vreemde (en vooral kleine) elementen te herbergen Bijvoorbeeld in een KVG ijzerrooster passen H, C, N en O in die holtes, maar in een KRG ijzerrooster zijn die ruimtes eigenlijk te klein Praktische betekenis: voornamelijk legeren van Fe met C (= staal)

37 In tegenstelling tot metalen neemt de elektrische weerstand bij kunststoffen juist af bij toenemende temperatuur. Verklaar dat.


Mei 2010 185

In een kunststof zijn de elektronen door de covalente binding gebonden aan de atoomkernen: zij helpen mee de atomen een “edelgasconfiguratie” te geven. In een elektrisch veld zullen deze elektronen niet makkelijk van hun plaats komen (daardoor isolator). Door toenemende trilling van de atomen bij temperatuurverhoging kunnen elektronen “losraken”, waardoor vrije elektronen ontstaan: de weerstand daalt.

38 Wat is anisotropie en wat is het verschil met textuur Anisotropie betekent: de eigenschappen zijn verschillend in verschillende richtingen Voor een kristal (éénkristal) is dat per definitie zo: de geleidbaarheid, de rek, de sterkte enz. zijn in de richting van de ribbe van een kubus (stel we hebben een KVG materiaal als aluminium) anders dan in de richting van een zijvlakdiagonaal en ook weer anders dan in de richting van de lichaamsdiagonaal. Dat komt omdat de afstand tussen de atomen in die drie richtingen steeds verschillend is. Desondanks gedraagt een kristallijn materiaal zich vaak isotroop, zoals een amorf materiaal. Dit wordt veroorzaakt doordat een technisch materiaal uit zeer veel kristalletjes bestaat (of korrels), die allemaal anders georiënteerd staan. Alle richtingen komen “statistisch” evenveel voor waardoor er een gemiddelde eigenschap ontstaat die in alle richtingen gelijk is. Door nu zo’n technisch materiaal te walsen komen bepaalde kristaloriëntaties meer voor dan andere (textuur): er vindt een soort gelijkrichting plaats: er ontstaat weer ansiotropie Deze vorm van anisotropie ontstaat door textuur.

39 Welke invloed heeft textuur in een gewalste plaat metaal op de vervorming? De rek kan bijvoorbeeld in de lengterichting anders zijn dan in de dwarsrichting. Bij dieptrekken leidt dat tot onregelmatige vervorming (“oorvorming”).

40 Wolframdraad voor een gloeilamp wordt vervormd (getrokken) bij 1100 °C Noem je dat warm- of koudvervorming? Of een metaal(legering) warm of koud vervormd wordt, hangt niet af van de absolute temperatuur maar van de verhouding tot het smeltpunt. Als een materiaal tijdens de vervorming rekristalliseert dan spreekt men over warmvervorming, verstevigt het dan is het koudvervorming. Door de rekristallisatie treedt “ontsteviging” op: het materiaal wordt daarbij inwendig weer “als nieuw” W-draad rekristalliseert bij temperaturen boven 1200 °C , dus is 1100 °C koudvervorming. Draad wordt eerst warmgewalst tot enkele mm diameter daarna in enkele stappen getrokken tot de goede diameter. De spiraalvorm wordt aangebracht door wikkelen (buigen).

41 Waarom kun je lood bij kamertemperatuur vrijwel onbeperkt vervormen , en een stalen paperclip niet? De rekristallisatietemperatuur ligt tussen 0,3 en 0,5× Tsmelt (in K). Voor lood ligt dat onder kamertemperatuur: Lood wordt dus warmvervormd. Bij staal (smeltpunt ongeveer 1530 °C) ligt de rekristallisatietemperatuur boven 450 °C en wordt bij kamertemperatuur dus koudvervormd.

42 Wat is het effect van kristallisatie op de sterkte bij kunststoffen? De kunststof wordt sterker. Kristallijne stoffen zijn sterker door betere samenhang van de moleculen. Voor kristallijne kunststoffen ligt Tg (overgangstemperauur glasfase-rubberfase) hoger


186 Mei 2010

43 Waarop is een metaalbinding gebaseerd? De elektronen uit de buitenste schil (dat zijn er meestal maar 1 of 2) zijn in een metaalrooster niet gebonden aan een vaste plaats. Ze bewegen min of meer vrij door het rooster. Hierop berust de geleidbaarheid van metalen, omdat 1 of 2 elektronen in de buitenste baan een kenmerk is van metalen.

44 Wat is martensiet. Martensiet is een structuur die ontstaat als er een roosterverandering in een metaal(legering) optreedt, zonder diffusie. (“omklappen van het rooster”) Specifiek bij staal als je vanuit de austeniet-structuur snel afkoelt (afschrikt) naar kamertemperatuur.

45 Wordt een metaal door koudvervormen stijver, taaier, harder, fijnkorrelig of juist grofkorrelig? Door koudvervormen neemt alleen het aantal dislocaties toe –tot het materiaal breekt. Daardoor wordt het sterker, harder en brosser. Stijfheid heeft met de E-modulus te maken en die verandert niet. Een materiaal kan uit zichzelf grofkorrelig worden als je het verhit en fijnkorrelig alleen maar door rekristallisatie of specifiek voor staal ook normaalgloeien.

46 Welke van de volgende zaken heeft het meest te maken met de mate van koudvervormbaarheid? het smeltpunt - de structuur - de hardheid - de dichtheid De structuur Vergelijk bijvoorbeeld Al met Mg en Cu . Al en Cu zijn sterk vervormbaar, Mg is dat niet Mg smeltpunt ca 650 °C, structuur HDP, dichtheid 1800 kg/m3 Al smeltpunt ca 660 °C, structuur KVG, dichtheid 2700 kg/m3 Cu smeltpunt ca 1083 °C, structuur KVG, dichtheid 8900 kg/m3

47 Wat is het verschil tussen kristallisatie en rekristallisatie? Bij kristallisatie ontstaan de kristallen uit de vloeistof door stolling Bij rekristallisatie ontstaan nieuw gevormde kristallen uit bestaande oude. Hier komt geen vloeistoffase meer aan te pas

48 Welke structuur zie je bij kamertemperatuur door de microscoop als je staal met 0,4% C langzaam afkoelt vanaf 1000 °C Dat is ferriet en perliet in ongeveer gelijke hoeveelheden

49 In een kristalrooster zijn veel afwijkingen van het ideale patroon, de roosterfouten Noem er een aantal en geef kort een belangrijke praktische of technische betekenis ervan vacature = lege roosterplaats diffusie interstitieel & substitutioneel vreemd atoom legeren randdislocatie vervormbaarheid; versteviging door vervormen (toename dislocaties) korrelgrens invloed op rekgrens en taaiheid precipitaten vreemde deeltjes die aanzienlijke verhoging van de sterkte kunnen geven. NB: de opsomming is niet volledig.


Mei 2010 187

50 Is de hardheid van staal in gegloeide toestand ook afhankelijk van het koolstofgehalte? Zo ja, hoe dan? Tot ca 0,8% C geldt: hoe meer koolstof in het staal zit des te harder, sterker en brosser het wordt. Bij een afkoeling in lucht vanuit het austenietgebied krijg je de normaalgloeistructuur. De koolstof scheidt zich uit als cementiet Deze cementiet is een onderdeel van de structuur perliet (bij 0,8% C heb je 100% perliet). (Als je zeer lang gloeit dan verdwijnt de perliet bij 650-700 °C krijg je bolletjes cementiet in een grondmassa van ferriet; deze structuur noemt men een zachtgloeistructuur en het gloeien heet zachtgloeien)

12.2 Mechanische eigenschappen

1 Kun je de hardheid van een materiaal gebruiken om de sterkte ervan te bepalen? Zo ja hoe, en zijn er beperkingen? De treksterkte van een metaal heeft de dimensie van een spanning (MPa). Ook de hardheidsmethoden Brinell en Vickers hebben de dimensie van een spanning zodat een relatie voor de hand ligt. Voor staal geldt dat de gemiddelde hardheid HV en HBS ongeveer gelijk is aan 0,3 keer de treksterkte; dus een staal met een hardheid van 200 HV (= ca 2000 MPa ) heeft een treksterkte van ca 660 MPa. Overigens geldt dit niet voor alle staalsoorten. Voor andere metalen geldt een dergelijke factor.

2 Kun je de kerfslagenergie gebruiken om de sterkte van een materiaal te bepalen? Nee, er blijkt geen rekenkundig verband gelegd te kunnen worden. Het is een zelfstandige eigenschap.

3 Welke methode van bepalen van de hardheid is geschikt voor het meten van gehard staal? Gehard staal heeft dezelfde hardheid als de kogeltjes die bij de Brinell en Rockwell-B metingen gebruikt worden: deze kogeltjes zijn namelijk van hardmetaal resp. gehard staal. De hardheid van gehard staal moet dus gemeten worden met een methode met een diamanten indruklichaam. Dat zijn dan Vickers en Rockwell-C.

4 Welke hardheidsmethode geeft de minste beschadiging aan het metaaloppervlak? Vickers met een kleine belasting.

5 Welke informatie kun je uit een kerfslagproef halen? Een kerfslagproef geeft uitsluitend informatie over de energie die nodig is om een gekerfd staafje met een klap te breken. Het is dus een maat voor de taaiheid. Belangrijk daarbij is dat voor staal deze taaiheid sterk afhangt van de temperatuur. De proef geeft voor staal dus ook informatie over de temperatuur waar het materiaal overgaat van taai naar bros breken.

6 Wat wordt verstaan onder de “overgangstemperatuur“ als we het over de kerfslagproef hebben? Constructiestaal is “taai” bij hoge temperatuur en “bros” bij lage.


188 Mei 2010

De temperatuur waarbij een overgang van taai naar bros plaats vindt, is de overgangstemperatuur (50% van de kerfslagarbeid bij taai en bros breken).

7 Welke hardheidsmethode kies je als je de hardheid van een structuurbestanddeel wilt meten? Een structuurbestanddeel is vaak klein en kan zacht of hard zijn. Voor een groot hardheidsbereik is Vickers de aangewezen methode. Voor structuurbestanddelen kiezen we dan micro-Vickers, vanwege de kleine indrukkingen.

8 De hardheid HRC ligt tussen de waarden 20 en 70 (zie dictaat figuur 5.17 punt 10: HRC = 100-e) Hogere en lagere waarden zijn onbetrouwbaar en tellen niet mee. Hoe komt dat? Als de waarde hoger is dan 70 is de indrukking te klein (te ondiep), waardoor meetfouten gaan overheersen. Als de waarde onder de 20 ligt, is het materiaal zo zacht dat de elastische terugvering te gering is (er blijft een kleine druk achter). Ook dan ontstaan meetfouten. Voor zachte materialen kiest men dan Rockwell B.

9 Een messing staaf (10 x 13 mm, lengte 75 mm ) heeft een rekgrens van 345 MPa en een E-modulus van 103 GPa

a. Wat is de maximale elastische belasting? b. En wat is dan de lengte bij die belasting?

De maximale belasting: Met de rekgrens wordt –als er geen nadere aanduiding bij staat– de Rp0,2 bedoeld. Dus de spanning bij 0,2% blijvende rek (blijvende rek: is dus de rek in spanningsloze toestand). De blijvende rek is dus 0.2% van 75 mm = 0,15 mm

Dus:

Wat is nu de lengte bij deze belasting? Totale rek = plastische rek + elastische rek Elastische rek : De elasticiteitsgrens Rp0 ligt iets lager dan Rp0,2, maar is niet gegeven. Het verschil is echter zo klein dat we het hier verwaarlozen

We berekenen dan

Dit komt overeen met 0.25 mm (0,335% van 75 mm) De totale verlenging bij een belasting van 44850 N is dan (ongeveer) 0.25 +0.15 mm = 0.4 mm De totale lengte wordt daarmee 75,4 mm.

10 Een stalen staaf (diameter 10 mm) in een statische constructie heeft een rekgrens van 400 MPa. Wat mag de maximale belasting zijn als de veiligheidsfactor 1,4 is? * De veiligheidsfactor betekent dat de constructie nog enige reserve heeft voordat blijvende vervorming optreedt, en dat wil je niet in een constructie. Dus: de maximaal toegestane spanning mag dan 400/1,4 = 285,7 MPa zijn. De bijbehorende belasting volgt dus uit:


Mei 2010 189

11 Berekening van de lengte van de staaf staal van 1 m lengte, als die met 40.000 N

wordt belast De te gebruiken formule: Deze omwerken:

Dus, met E=210.000 MPa wordt dit:

De lengte bij de belasting van 40000 N is dus 1,00243 m.

12 Het oppervlak onder de trekkromme geeft de hoeveelheid verrichte arbeid weer. Elastische arbeid is terugwinbaar (bijv een veer) Welk van de volgende metalen is –uitsluitend op grond van deze eigenschap geschikter op elastische energie op te slaan en af te geven staal, E = 210 GPa, Re – 275 MPa messing, E = 110 GPa, Re = 200 MPa Uit de Wet van Hooke ( σ =E.ε) leiden we de rek ε af.

voor staal

voor messing %

Aangezien we hier te maken hebben met spanning en rek, berekenen we de specifieke elastische arbeid (arbeid per volume-eenheid, J/mm3) Het oppervlakte onder het elastische deel van de trekkromme is dan

voor staal

voor messing:

Messing is dus in dit geval nipt beter.


190 Mei 2010

13 In bijgaande figuur zijn 6 trekkrommes getekend. Teken in deze figuur hoe de gevraagde eigenschap (bij de figuur vermeld) verandert

Eigenschap symbool eenheid hoge waarde / lage waarde

E-modulus

0,2%-rekgrens

bovenste vloeigrens

onderste vloeigrens

treksterkte

breukrek

insnoering

E

RP0,2

ReH

ReL

Rm

At

Z

E = σ/ε

RP0,2=F0,2/So

Rm = Fm / So

ΔL / L0

ΔS /S0

MPa

MPa

MPa

MPa

MPa

%

%

stijf / slap

stug / week

stug / week

stug / week

sterk / zwak

taai / bros

taai / bros

In onderstaande figuur is dit samengevat.


Mei 2010 191

14 Bepaal uit de volgende grafiek a) de rekgrens, b) de treksterkte, c) de elasticiteitsmodulus, d) de breekrek, e) de insnoering f) de ware spanning bij

breuk. Gegeven: L0 = 5 x d0; d0= 10 mm, na breuk wordt gemeten: dU= 7 mm

Resultaten:

Bereken eerst S0 en SU S0 = ¼ πdo

2 = 78,5 mm2 SU = ¼ πdu

2 = 38,5 mm2

a. Rekgrens Tenzij anders vermeld, wordt hiermee de 0,2% rekgrens bedoeld. Dit is de spanning waarbij de blijvende rek 0,2% bedraagt

0,20% van Lo 0,002 x 50 mm = 0.1 mm

Trek nu een lijn vanaf 0.1 mm evenwijdig aan het eerste rechte stuk van de kromme (het elastische stuk) Deze lijn snijdt de kromme (ongeveer) bij F0,2 = 32000 N Nu berekenen we de rekgrens R0,2 = F0,2/ So = 407 MPa

b. Treksterkte Dit is de maximale spanning, gebaseerd op de oorspronkelijke doorsnede van de staaf De maximale belasting Fm = 46000 N De trekspanning is dan Fm/So = 586 MPa

c. Elasticiteitsmodulus E = σ/ε Voor metalen, zoals staal, aluminium en koper is de elasticiteitsmodulus gelijk aan de tangens van de hoek tussen de trekkromme en de horizontale as.

Kies een punt zo hoog mogelijk op de elastische (rechte) lijn bij een goed af te lezen verlenging

• bij een verlenging van 0,2 mm berekenen we een rek van 0,004 mm/mm • hierbij hoort een belasting van 25000 N de spanning is dan 318.31 MPa

Hieruit volgt E = spanning/rek = 79577 MPa


192 Mei 2010

NB: dit suggereert nauwkeurigheid, maar in werkelijkheid is deze methode voor de bepaling van E niet nauwkeurig. Daarom is het beter deze waarde af te ronden. Zo komen we op E = 80000 MPa

d. Rek bij breuk A = (Lu -Lo)/Lo x 100% De breukrek A is gedefinieerd als de procentuele lengtevermeerdering = de blijvende (= plastische) verlenging na breken gedeeld door de oorspronkelijke lengte

Denk erom dat de elastische verlenging niet meetelt: die moet er dus afgetrokken worden. Trek een lijn vanaf het breekpunt evenwijdig aan het eerste elastische rechte stuk van de kromme

De totale verlenging 4.8 mm Plastische verlenging 4.5 mm De breekrek A = 4,5/ 50 = 0,09 mm/mm x 100% = 9.0 %

e. Insnoering Z = (So -Su)/So x 100% De insnoering is de procentuele doorsnede-vermindering

Let op: de doorsnede is een oppervlaktemaat dus l x b bij een rechthoekige staaf en ¼πd2 bij een ronde staaf

In formule Z = (So -Su)/So x 100% = 51 %

f. Ware spanning bij breuk Dit is de belasting op het moment van breken (het einde van de kromme) , gebaseerd op de kleinste diameter op dat moment. De ware spanning is dus het hoogste op de plaats waar de staaf breekt. De belasting op het moment van breken

FB = 35000 N, SU = ¼ πdu2 = 38,5 mm2

De ware spanning is dan σW = FB/Su = 909 MPa


Mei 2010 193

15. Vul de onderstaande tabel over hardheid in.

Brinell Rockwell B Rockwell C Vickers

Meeteenheid MPa mm mm MPa

Indruklichaam (hardmetalen) kogel

Gehard stalen kogel

Kegelvormige diamant Piramidevormige diamant

Meetprincipe (op de meten)

Gekromd oppervlakte van

de infrukking (diameter)

Diepte indrukking

Diepte indrukking

Oppervlak van indrukking (diagonaal)

Toepassingen

Controle trekstrekte

Gemiddelde waarde

Snel, eenvoudig

Snel en eenvoudig

Nauwkeurig Ook voor dunne lagen

structuurgbestanddelen

geschikt voor gehard staal? ja/nee

Nee, Max 650 HBW* Nee Ja Ja

* met stalen kogel max 350 HBS


194 Mei 2010

12.3 Vervaardigingstechnieken

1) Welke productietechnieken van kunststof is gebruikelijk voor de productie van a) bierkrat, b) behuizing van een boormachine, c) vuilniszak, d) ligbad (van thermo-plastische kunststof), e) lichtschakelaar a) spuitgieten b) thermovormen (=vacuümvormen), maar afhankelijk van de dikte is ook

spuitgieten mogelijk c) folieblazen ( eerst buisextrusie en dan opblazen) d) meestal thermovormen (voor spuitgieten moet de mal wel heel erg groot

worden) e) persen (daarvoor gebruik je een thermoharder: poeder, bestaande uit hars en

harder reageren onder druk en temp in een matrijs). 2 Wat is kalanderen?

Productieproces waarbij door walsen de laagdikte wordt bepaald voor kunststoffolie en papier

3 Noem een paar (bekende)producten die gemaakt zijn dmv thermovormen Koffiebekerje, boterdoosje, verpakking voor kwetsbare producten, zoals bonbons,lichtkoepel

4 PE is niet of veel minder goed lijmbaar dan PVC. Hoe komt dat? Door de bouw is PE symmetrisch, PVC niet (er zit een groot Cl atoom tussen) Hierdoor is PE a-polair, dwz er is geen verschil in polariteit (lading) tussen de boven en onderkant, bij PVC is dat wel het geval. Lijmen is voornamelijk gebaseerd op aantrekkingskrachten door lading. De lijm is namelijk ook sterk polair (net als PVC)

5 Hoe wordt de twee-kleurige mantel van elektriciteitsdraad aangebracht (zoals bij een geelgroene aarddraad). Door middel van co-extrusie. De koperdraad wordt de spuitopening van de extruder geleid. De twee kunststof kleuren worden apart aangevoerd vlak voordat de draad de opening verlaat zodat geen ontoelaatbare menging optreedt.

6 Wat wordt met de vervormingstechniek FORCEREN bedoeld. Noem een typisch geforceerd product. Bij het forceren wordt een mal van het gewenste product gemaakt op een draaibank. Deze mal wordt gemonteerd op een forceerbank. Een ronde plaat van het te forceren materiaal wordt vastgeklemd tussen het voorlager (schijf metaal die in diameter gelijk is aan de mal) en de mal. De machine wordt aangezet en het geheel komt in een draaiende beweging. Met behulp van speciaal gereedschap wordt in meerdere fasen de vastgeklemde plaat over de mal heen vervormd waarna uiteindelijk een holle kopie van de mal ontstaat. Tegenwoordig kan men een onderscheid maken tussen handforceren en automaatforceren.

7 Metalen tubes (zoals bijvoorbeeld voor tandpasta) zijn vaak van een aluminiumlegering (Al met een klein beetje mangaan). Met welke vormgevingstechniek worden deze gemaakt?


Mei 2010 195

Dat wordt slagextrusie of hulsextrusie genoemd (tegenwoordig worden tubes vaak van PE of PP gemaakt (extrusie + blazen, zoals een fles)

8 Noem 3 redenen waarom (wanneer) je een gietproduct zou toepassen. 1. Voor het maken van complexe producten (vrijheid van vormgeving) 2. Seriegrootte (vooral interessant bij grote series) 3. Minimale nabewerking en grote maatnauwkeurigheid (bij sommige gietprocessen)

9 Wat is het verschil tussen coquillegieten en spuitgieten Bij coquillegieten wordt het vloeibare metaal (soms handmatig) in een (deelbare) metalen vorm gegoten onder invloed van de zwaartekracht Bij spuitgieten wordt het vloeibare metaal onder hoge druk in een metalen vorm of matrijs geperst.

10 Wat is het belangrijkste verschil tussen ponsen en knippen? Ponsen en knippen zijn beide zogenaamde spaanloze scheidingstechnieken (er ontstaat natuurlijk wel afval) Bij ponsen is de snijlijn gesloten en wordt bepaald door de vorm van het gereedschap. Een ander woord is stansen Bij knippen is de snijlijn open

11 Wat versta je onder booglassen? Booglassen is een proces waarbij een elektrische boog zorgt voor zoveel warmte dat het metaal tot smelten gebracht kan worden. Een elektrische boog wordt is stand gehouden tussen twee elektroden (anode en kathode) op kleine afstand van elkaar waartussen een spanningsverschil bestaat. Deze elektroden zijn opgenomen in een stroomkring. Het te smelten plaatmateriaal (de lasnaad) is een van de elektroden. Deze andere elektrode is staafvorming Booglasprocessen zijn: Lassen met beklede elektroden, MIG/ MAG lassen en lassen met gevulde draad, TIG- en plasmalassen, onderpoederlassen. Bij TIG- en plasmalassen is de staafvormige elektrode gemaakt van wolfraam en smelt niet af. Toevoegmateriaal kan apart worden toegevoerd.

12 Weerstandlassen van staal op roestvast staal is mogelijk. Is een verbinding van staal op aluminium met dit proces ook mogelijk (korte motivatie) Lassen van staal aan aluminium is erg moeilijk en met processen waarbij een smeltbad ontstaat vrijwel niet mogelijk. Reden: er ontstaan zeer brosse Al-Fe verbindingen die de verbinding doet scheuren bij het afkoelen Daarnaast zijn de eigenschappen smeltpunt en geleidingsvermogen ook zeer verschillend, zodat de kans dat er met weerstandlassen een las komt op de goede plaats, uiterst gering is. Geschikte lasprocessen voor het verbinden van staal aan aluminium zijn explosielassen, diffusielassen en wrijvingslassen.

13 Noem 4 verschillende lasprocessen waarbij het gebruik van toevoegmateriaal niet nodig is of niet kan en 4 processen waarbij altijd toevoegmateriaal aanwezig is Geen toevoegmateriaal nodig bij autogeen lassen, TIG lassen, laserlassen, plasmalassen (en zeer veel andere lasprocessen zoals weerstandlassen, wrijvingslassen, explosielassen, etc)


196 Mei 2010

Altijd toevoegmateriaal bij : MIG lassen, Lassen met beklede elektroden, onderpoederlassen, lassen met gevulde draad.

14 Wat is TIG? Tungsten Inert Gas, ook bekend met de afkorting GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) Een gasbooglasproces, waarbij de elektrode van wolfram is (Engels tungsten) en niet afsmelt. Het inerte beschermgas (Ar, He of een mengsel ervan) is altijd noodzakelijk om ook de elektrode te beschermen. Toevoegmateriaal wordt naar behoefte apart toegevoerd.

15 Wat is weerstandlassen en geef een voorbeeld van een toepassing van dit proces. Weerstandlassen is een lasproces waarbij de las ontstaat na weerstandsverwarming (stroomdoorgang) Dit kan gebeuren door stiftvormige elektroden van een koperlegering, die de platen op elkaar klemmen (puntlassen) of door schijfvormige elektroden (rolnaadlassen) Andere varianten zijn projectielassen, afbrandstuiklassen en weerstandstuiklassen Toepassingen in de automobielindustrie, radiatoren, vaten. http://www.updatetechnology.com/WeldGraphic.asp.

16 “Deze laselektrode heeft een rendement van 180%” Is deze uitspraak correct? En zo ja, hoe zit dat dan? Ja dat kan, want het gaat hier om neersmelt (hoeveelheid materaal dat door de elektrode in de naad terecht komt), waarbij gebruik gemaakt wordt van een bijzondere definitie voor rendement, namelijk:

Als je nu ijzerpoeder toevoegt aan de bekleding van de elektrode, dan wordt dat wel toegevoegd aan het lasmetaal, maar het maakt geen onderdeel uit van de kerndraad. Daardoor is een rendement van wel 220% mogelijk. Deze definitie is zo gehandhaafd, omdat daarmee beter onderscheid gemaakt kan worden tussen verschillende elektroden. Voordeel: economisch; nadeel: slechts beperkte lasposities

17 Is autogeen snijden van aluminium mogelijk? (geef een korte motivatie) Nee Het smeltpunt van de oxide ligt veel hoger dan het smeltpunt van het metaal (2050°C, resp. 660 °C) De oxidatietemperatuur ligt ook veel hoger dan het smeltpunt.

18 Wat is draadvonken en wanneer pas je dat toe? Draadvonken is een vorm van vonkverspanen Met een draadvormige elektrode bewerkt men via een isolerende vloeistof vonkoverslag naar het werkstuk, waardoor materiaal weggenomen wordt. (vergelijk het met figuurzagen)

19 Noem twee materiaaleigenschappen die belangrijk zijn bij het verspanen De volgende eigenschappen zijn van belang: Hardheid in verband met de slijtage van de beitel die toeneemt bij grotere hardheid van het te verspanen materiaal.

http://www.updatetechnology.com/WeldGraphic.asp


Mei 2010 197

Taaiheid in verband met het spaantype, bros materiaal leidt eerder tot brokkelspaan en taai eerder tot lintspaan.

20 Wat is bij verspanen de vrijloophoek? De vrijloophoek is de hoek tussen beitel en werkstuk. Deze is (o.a) belangrijk voor beperking van de beitelslijtage en warmte-ontwikkeling. Deze hoek is meestal vrij klein (<10°)

21 Wat is bij verspanen de spaanhoek? De spaanhoek is de hoek aan de spaanzijde tussen het spaanvlak van de beitel en het vlak loodrecht op de bewegingsrichting van de snijwig Deze hoek ligt meestal tussen de 30° en -10° (negatief bij hele grote wighoek)

22 Vergelijk het frezen met boren Boren: De snijsnelheid varieert met de straal van het gereedschap. De voedingsrichting is evenwijdig aan de rotatie-as van de boor. Frezen: De snijsnelheid is constant (snijdt alleen aan de buitenzijde). De voedingsrichting is loodrecht op de rotatie-as van de frees.

23 Wat is het verschil in uitvoering tussen mee- en tegenlopend frezen? Welke geeft het gladste oppervlak? meelopend frezen: De draairichting van de frees werkt in de bewegingsrichting van het werkstuk. Geeft en glad oppervlak waardoor het zeer geschikt is voor de laatste freesgang. Kans op breuk van de frees als er speling komt in de aandrijving van de spantafel waarop het werkstuk ligt (veroorzaakt door het naar de frees toetrekken van het werkstuk, door de horizontale kracht). tegenlopend frezen: De draairichting van de frees is tegengesteld aan de bewegingsrichting van het werkstuk: matig oppervlak. Grotere aanzet is mogelijk waardoor snel gewerkt kan worden. Snijdt meteen, hierdoor is bij een zeer grote aanzet kans op breuk van eerste freestand die het werkstuk raakt.

24 Welke spaantypen hebben de voorkeur en waarom? Er zijn verschillende spaantypes: brokkelspaan, lamel- of krulspaan en continue of lintspaan. De lintspaan is ongewenst in verband met de spaanafvoer. Hoewel uit verspaningstechnisch oogpunt ideaal (constante beitelkracht en mooi oppervlak), leidt de lintspaan gauw tot een kluwen van metaallint waardoor gemakkelijk storingen ontstaan.

25 Waarom zijn thermoharders niet te lassen en thermoplasten wel. Voor lassen is het nodig dat de kunststof in een verweekte toestand komt waardoor de ketens zich met elkaar kunnen verstrengelen. Dat kan niet bij thermoharders.

26 Veel klinkverbindingen zijn in de loop van de tijd vervangen door lasverbindingen. Noem minimaal 3 redenen daarvoor. Klinkverbindingen:

a. Zijn zwaarder in gewicht dan lasverbindingen b. Hebben een minder gunstiger spanningsverloop bij trekbelasting c. Zijn vooral duurder omdat er meer uren (arbeidsloon) in gaat zitten


198 Mei 2010

d. Maar zijn vaak beter bestand tegen vermoeiing 27 In een vliegtuig worden voor de romp en vleugels geen (zelden) lasverbindingen

toegepast. Waarom niet, welke verbinding en dan wel? Er zijn twee belangrijke redenen:

a. Door lassen ontstaan spanningen, die in dunne Al platen gemakkelijk tot vervorming leiden. Dat is in een romp of vleugel ongewenst.

b. Door lassen neemt de sterkte naast de las teveel af (De Al platen zijn namelijk gemaakt van een precipitatiehardende Al-Cu legering). Dit sterkteverlies is niet te herstellen of te compenseren zonder de constructie te verzwaren.

28 Wat is slinken en wat is de oorzaak? Bij de meeste stoffen (ook metalen en metaallegeringen) is er sprake van een volumevermindering bij het stollen. (3-6%). Dit noemt men slink. Dit komt omdat de atomen in de vloeistoftoestand iets verder uit elkaar zitten dan in het rooster van de vaste toestand. Door deze volumeverandering in de vaste toestand holtes ontstaan slinkholtes. Er zijn uitzonderingen. Bekend is water: het rooster van de H2O moleculen is vrij ijl Dat geldt ook voor het metaal Bi (bismut). Er bestaat ook nog krimp; dat is de volumevermindering tengevolge van de afkoeling van het vaste materiaal.

29 Hoe voorkom je slinkholtes? Een slinkholte is een gat dat ontstaat omdat de slink in het werkstuk niet gecompenseerd wordt door aanvoer van vloeibaar metaal. Bijvoorbeeld door verstopte gietkanalen. Maak de gietkanalen dus groot genoeg en plaats opkomers op plaatsen die gevoelig zijn voor slink, waardoor vloeibaar metaal aangevoerd kan worden Zo’n opkomer dient als reservoir. Slink treedt altijd op, De holtes dienen dan in de giettrechter en opkomer terecht te komen.

30 Wat is het belangrijkste verschil tussen dieptrekken en duntrekken? Dieptrekken is een omvormproces waarbij producten met diverse gesloten contouren uit plaatmateriaal worden vervaardigd. Met een stempel wordt een plaat (de blenk) in een matrijs geperst. De wanddikte van het product komt overeen met de wanddikte van de blenk en de ruimte tussen de stempel en de matrijs. Het product hoeft niet “diep” te worden. Duntrekken is een proces waarbij (een eerst diepgetrokken product) met een stempel door een aantal na elkaar geplaatste trekringen worden geperst waarbij de binnendiameter constant blijft en de wanddikte afneemt Hierdoor wordt het product (bijvoorbeeld een bierblikje of een spuitbus) dus dieper.

31 Welke metalen/legeringen kunnen geëxtrudeerd worden? Extrusie van metalen en legeringen wordt uitgevoerd met metalen en metaallegeringen die een niet al te hoog smeltpunt hebben. Bij de temperaturen waarbij het gereedschap nog voldoende sterk is, moet het te extruderen materiaal voldoende zacht (week) zijn. Dat geldt voor aluminium. koper, messing (legering van Cu met zink), lood, magnesium en in zeer beperkte mate voor staal (het gereedschap mag niet te heet worden).


Mei 2010 199

Vooral met aluminium(en –legereringen) kunnen zeer complexe (holle) profielen worden gemaakt.

32 Wat is automatenstaal? Automatenstaal is staal dat en automatenmessing zich gemakkelijk laten verspanen in een automatische draaibank, zonder constante bemoeienis van een operator Daartoe is het staal gelegeerd met een kleine hoeveelheid van een element dat de spaan gemakkelijk doet breken. Je krijgt dan eigenlijk steeds korte stukjes lintspaan. Degelijke elementen zijn in staal: S (Zwavel) en P (Fosfor) die het materiaal brosser maken Zo kennen we ook automatenmessing Dit is een legering van Cu en Zn waaraan Pb (lood) is toegevoegd, wat kleine bolletjes in de structuur vormt waarop de spanen breken en het smeert bij het snijden van de beitel. (wordt gemakkelijk vloeibaar).

33 Noem de productietechnieken voor de fabricage van de volgende producten (vanuit de grondstof), Soms zijn er meer mogelijkheden.

a. Margarinekuipje van PP b. Lichtschakelaar van UF c. Pvc electriciteitsbuis d. Flessenkrat van PP e. 2 literfles van PE f. Rubber bal g. Brede folie van PVC h. Vuilniszak van LDPE

i. Lichtkoepel van PMMA j. Tandwiel van PA k. Dunwandige buis van PP, diameter 3 meter l. PET fles m. Legoblokjes n. Rubber gasslang o. Vloertegels van PVC p. Dikke platen van PMMA q. Gieter van PP

Er zijn voor het maken van een product vaak verschillende methodes mogelijk. Hier wordt de meest gebruikelijke weergegeven ( is de meest economische). a. Margarinekuipje van PP eerst plaatextrusie en dan deze plaat vacuümvormen b. Lichtschakelaar van UF UF (ureumformaldehyde ) is een thermoharder Dat

moet voor een lichtschakelaar Een poedercompound (mengsel van hars en harder in poedervorm) wordt in een matrijs geperst en uitgehard bij verhoogde temperatuur.

c. PVC elektrabuis extrusie d. Flessenkrat van PP spuitgieten e. 2 literfles van PE Blaasextrusie (extrusie van een buis die in een mal wordt

opgeblazen) f. Rubber bal centrifugaal gieten of rotatiegieten uit pasta en daarna

vulkaniseren Een thermoplastische bal van bijv. PP wordt dmv blaasextrusie gemaakt

g. Brede folie van PVC kalanderen (PVC heeft een vrij lang rubbertraject in tegenstelling tot PE, dat wordt dan door middel van folie-extrusie gemaakt

h. Vuilniszakken van LDPE folie-extrusie, gevolgd door afsnijden en aan één zijde dichtlassen (sealen).

i. Lichtkoepel van PMMA Zou kunnen als bij dikke platen. Maar hier is de dikte wel minder. Daarom thermovormen van plaat


200 Mei 2010

j. Tandwiel van PA PA is een nylon (polyamide) mechanisch bewerken van een geperst blok of spuitgieten, extruderen en afzagen, afhankelijk van de seriegrootte

k. Dunwandige buis van PP De buis is nogal groot Ø3 m! Dit is veel te groot om als buis te extruderen. Daarom: plaatextrusie, buigen tot buis (in mal) en in de lengte lassen

l. PET fles Dit zijn flessen geschikt voor koolzuurhoudende dranken, vanwege de –zeer geringe– doorlaatbaarheid voor gassen Spuitgieten van een halffabrikaat en deze later weer verwarmen en opblazen in mal

m. Legoblokjes Spuitgieten (er zitten dan een aantal blokjes aan één spuitboom)

n. Rubber gasslang extruderen uit paste, dat bij verwarming gaat vulkaniseren De vulkanisatie mag pas goed op gang komen als de buis de uit de extrusiemond komt

o. Vloertegels van PVC eerst kalanderen en dan uitsnijden p. Dikke platen van PMMA PMMA = perspex

gieten van het monomeer in een vorm en in die vorm laten polymeriseren ( uniek voor thermopasten)

q. Gieter van PP Blaasextrusie (het is eigenlijk een soort fles)

34. Waaraan herken je een 1 gespuitgiet, 2 geblazen of 3 gethermovormd product? Vaak is de aanspuiting nog zichtbaar: kijk maar een aan de onderkant van een plastic beker of fles, of op de dop van een fles: als er een puntje zit van 1-3 mm, het “naveltje”, dan is het een spuitgietproduct. Zo’n naveltje kan ook heel kunstig zijn weggewerkt. In een bierkrat zitten er meerdere (zoek ze maar op). Een bekertje, zonder enig kenmerk aan de onderkant, behalve een merk of cijfer, is vacuüm vervormd (thermovormen) Een fles (shampoo, etc) die d.m.v. blaasextrusie is gemaakt, is herkenbaar aan een vrij dikke naad die over de hele onderkant van de fles loopt.

35. Wanneer pas je de verlorenwasmethode toe? a. Bij werkstukken met een complexe vorm (lossende wasmodellen worden

samengebouwd, waardoor de lossing verloren gaat en grote complexiteit mogelijk is)

b. Voor het verkrijgen van hoge maatnauwkeurigheid (zeer glad oppervlak) c. Bij materialen die moeilijk te bewerken zijn (geen nabewerking nodig) d. Bij materialen die een hoog smeltpunt hebben (keramische vorm)

Inleiding in de materiaalkunde - wijha.nl · mei 2010 iii inhoud ... 5.4.3 rockwell hardheidsmeting...

Documents

Transcript of Inleiding in de materiaalkunde - wijha.nl · mei 2010 iii inhoud ... 5.4.3 rockwell hardheidsmeting...