Materiaalkunde 2 Hoofdstuk 16: Beïnvloeden van de eigenschappen van een materiaal via de samenstelling 1. Een fase is een homogeen deel van een systeem en heeft karakteristieke eigen waarden 2. Allotropie is een materiaal met verschillende kristalstructuren. 3. Volledige oplosbaarheid houdt in dat 2 stoffen in alle verhoudingen mengbaar zijn en een mengkristal vormen 4. Voorwaarden voor mengbaarheid: Stoffen moeten hetzelfde kristalrooster hebben en ongeveer even groot zijn. 5. Bij een eutectische samenstelling stollen verschillende fasen tegelijk en komen ze gemend in elkaar voor waardoor een fijne structuur ontstaat. 6. Bij een peritecticum wordt vanuit een bestaande fase en een hoeveelheid vloeistof een nieuwe fase gemaakt. 7. Oplossingsharding: het toevoegen van een legeringselement waardbij het oorspronkelijke materiaal eenfasig blijft. 8. Vorming van mengkristallen zorgt voor een lagere stapelfoutenergie, waardoor meer dislocaties en dus versteviging op treed. Hoofdstuk 17: Beinvloeden van de eigenschappen via structuurovergangen en uitscheiding 1. Pas bij overschrijding van de kritische kiemgrootte ie een kiem stabiel. 2. Bij grootte afkoeling ontstaan veel kiemen wat zorgt voor een fijnkorrelig materiaal. 3. Kristalsegregatie is het verlopen van de samenstelling in een kristalliet 4. Staal is een legering tussen Fe, Mn en C. a. -ijzer: Ferriet, Krg met C zeer weinig erin opgelost b. -ijzer: Auteniet, Kvg met C erin opgelost, maar bestaat slecht boven 727 graden c. Fe 3 &&HPHQWLHWLM]HUFDUELGHRQWVWDDWQDDVW -ijzer. En heet samen perliet. 5. Bij het snel afkoelen van de Austeniet blijft de structuur behouden en onstaat een Kvg martensitische structuur. 6. In martensiet zitten drukspanningen doordat het bij het ontstaan het volume toeneemt. Dislocaties kunnen daardoor nauwelijks bewegen en het materiaal is zeer hard. 7. Een tussenvorm van Martensiet en Ferriet is bainiet. Het verschil met Martensiet is slecht te zien. Hoofdstuk 18: Stalen en Gietijzers 1. De maximale oplosbaarheid van C in austerniet is 2,11%. 2. Fe 3 C is metastabiel, maar scheidt zich niet uit in grafiet onder normale omstandigheden. 3. Ongelegeerde stalen bestaan bij kamertemperatuur uit ferriet en cementiet. 4. Stalen met 0,77% C bestaan voor 100% uit perliet (eutectisch materiaal). 5. Voor het verkrijgen van een martensitische transformatie kan men harden, ontlaten en veredelen. 6. Hoe meer cementiet hoe hoger de hardheid en brosheid 7. Door zachtgloeien gaat het cementiet over in een globale vorm. a. Het materiaal wordt zachter doordat dislocaties minder snel vastlopen tegen cementiet. b. Het materiaal wordt taaier omdat het bolvormig cementiet slechter als scheurkiem fungeert. 8. Normaliseren wordt bij spuitgieten toegepast en zorgt ervoor dat de korrelgrootte beter en homogener. 1/7
9. Voor het bepalen in welke fase een staal zal zitten wordt gebruik gemaakt van istherme en continue TTT-diagrammen. 10. Bij het harden wordt wordt gestreefd naar het vormen van martensiet. Door de volumevergroting komt het materiaal onder spanning te staan en word het harder. 11. De hardingsdiepte kan gedaan door middel van de Jominyproef. 12. Ontlaten is het blootstellen aan martensiet aan een warmere temperatuur voor een bepaalde tijd. Door deze temperatuurverhoging diffundeert het koolstof eruit en ontstaat cementiet en ferriet. 13. Harden vervolgd door hoog ontlaten wordt veredelen genoemd. 14. Bij het carboneren wordt het staal in austernitische toestand gebracht en in een omgeving met koolstof gebracht. Vervolgens zal koolstof in het materiaal diffunderen. 15. Bij het nitreren wordt het materiaal in een ammoniakgas gebracht waaruit vervolgens N 2 afscheidt. a. Voor het nitreren wordt het materiaal veredeld, waardoor het materiaal vaak een hoog C-percentage heeft. b. Nitreerstalen bevatten vaak Al, omdat Al-nitriden zeer hard zijn. c. Er is geen gevaar voor scheuren zoals bij carboneren d. De hardheden zijn zeer Hoog. 16. Vlamharden wordt gedaan door middel van een brander en vervolgens afschrikken. Het is een onnauwkeurig proces, maar het kan wel toegepast worden bij grote werkstukken. 17. Bij het inductieharden wordt het werkstuk in een hoogfrequente stroom gebracht. De indringdiepte is ongeveer 3mm. 18. Voor het dieptrekken is een ongelegeerd staal het best. Deze bestaan bijna geheel uit ferriet. 19. Ongelegeerde stalen zijn goedkoop en worden daarom toegepast in grote constructies. 20. Gietijzer heeft een C-gehalte van ongeveer 3-4 %. a. De eutectische structuur van gietijzer noemt men Ledebiet. b. Er onstaat een materiaal met een laag smeltpunt en een kort smelttraject. c. Het materiaal is goed gietbaar. d. Bij ondereutectisch gietijzer onstaat eerst austerniet dat zich uitscheidt in ferriet en cementiet. Het cementiet zorgt ervoor dat er een hard en bros materiaal onstaat. e. Tempergietijzer bevat grafietnesten en een lager percentage cementiet waardoor een beter vervormbaar materiaal ontstaat. f. Grijs gietijzer bevat een hoog percentage Si. Hierdoor kan C zich makkelijk uitscheiden in grafiet-lamellen. Het materiaal is niet sterk en de grefietlamellen gedragen zich onder belasting als scheurtjes. g. Nodulail gietijzer bevat bolvormig grafiet, door vlak voor het stollen Mg toe te voegen. De sterkteeigenschappen zijn daarom beter dan van grijs gietijzer. 21. Een kleinere korrel valt te krijgen door te normaliseren, de eutecticumtemperatuur te verlagen door toevoegen van legeringselementen, of door teovoegen van remmende legeringelementen op de korrelgrenzen. 22. Duel-phase staal bestaat voor 20% uit martensiet opgelost in een zachte ferrietmatrix. Het materiaal is redelijk hard en heeft een vrij hoge rekgrens en de rek is ook vijr hoog, wat het materiaal geschikt maakt voor dieptrekken. 23. Q+T stalen bestaan uit een martensitische structuur of een martensitische / bainitische structuur. Er worden diverse legeringen toegevoegd te bevordering van lasbaarheid en hardingsdiepte. Het materiaal wordt gebruikt in gelaste constructies. 24. Ausformstaal is zeer sterk en heeft een goede ductiliteit, en heeft een fijne martensitische structuur met een hoge dislokatiedichtheid. Het gewalste materiaal is geschikt voor het maken van auto s. 25. Maraging stalen worden verkregen door een austerniet/martensiet structuur te precificatieharden. 26. Veredelingsstalen worden voorzien van bijvoorbeeld Mo, om de hardingsdiepte ze hoog mogelijk te maken. Hierna worden ze ontlaten om het materiaal taaier te maken. 27. Roestvaste stalen worden verkregen door regeringselementen toe te voegen, of warmtebehandelingen. 28. Stalen met meer dan 12% chroom zijn roestbestendig. 29. Ferritische roestvaste stalen hebben meer dan 13% om het staal ferritische te houden. Wel verdwijnt de -fase, waardoor het materiaal goed lasbaar is, maar korrelverfijning tijdens het lassen niet ongedaan kan worden gemaakt. De toepassing van deze stalen is zeer groot. 2/7
30. Martensitisch roestvast staal bevat veel C en vormt met het Cr chroomcarbiden. Nadeel is echter dat het materiaal niet lasbaar is. Het wordt o.a. gebruikt voor zuigerstangen, chirurgisch gereedschap, slagersmessen en kogellagers. 31. Stalen met meer dan 20% Ni zijn bij kamertemperatuur austernitisch en dus kvg. 32. Stalen voor de werktuigbouw moeten vaak hard en roestvast zijn. En daarom worden de stalen vaak precificatiegehard om toch een goede sterkte te verkrijgen. Hoofdstuk 19: Nonferro legeringen 1. Al legeringen worden om verschillende reden toegepast a. Lage dichtheid b. Goede natuurlijk corrosiebestendigheid die tevens hard is c. Goed geleidingsvermogen d. Redelijke elasticitietsmodulus e. Geen overganstemperatuur naar brosse breuk 2. Ongelegeerd Al heeft een treksterkte van ongeveer 40 MPa. Het valt makkelijk op te voeren a. Oplossen met Mg b. Verstevigingen door bv. Koud deformeren c. Precifipitatieharding 3. Voor toepassingen bij hogere temperaturen wordt bijvoorbeeld Cu, Mg, Ni of Fe toe. 4. S.A.P. is een gesinterde peoder met Al 2 O 3 in een Al- matrix. Dit materiaal heeft bij 500 0 C nog een treksterkte van 100 MPa. 5. Mg legeringen hebben de volgende eigenschappen a. Lage dichtheid b. Lage elasticiteitsmodulus c. Slechte vervormbaarbeid door hdp rooster d. Goede verspaanbaarheid 6. Meestal wordt Mg gelegeerd met Al. De legeringen worden precipitatiegehard. 7. Koper wordt vooral gebruikt voor geleiding van stroom. Verder is het goed soldeerbaar en corrosiebestendig 8. Koper is gevoelig voor de waterstifziete. 9. Koper is vanzichzelf niet sterk (200 MPa) maar door versteviging kan een sterkte van 350 MPa worden bereikt. 10. Messing is een Cu/Zn legering. Bij een laag percentage Zn is het zeer goed vervormbaar. Bij een hoger percentage Zn wordt de gevoeligheid voor brosse breuk groter, maar de goede ductilitiet zorgt voor een goede verspaanbaarheid. 11. &X61OHJHULQJHQZRUGHQWRW6QWRHJHSDVWHQKHEEHQHHQ -fase. De koudevervormbaarheid van 8% Sn is zeer goed. 12. &X$OOHJHULQJHQ]LMQJRHGYHUYRUPEDDUGRRUHHQ -fase en heeft een goede corrosiebestendigheid 13. Cu/Ni legeringen zijn volledig in elkaar oplosbaar. Het materiaal heeft een goede corrosiebestendigfheid en kent toepassingen in zeewater. 14. Zn legeringen hebben de volgende eigenschappen a. Goede gietbaarheid (vaak met Al). b. 0LQGHUJRHGHYHUYRUPEDDUKHLGGRRU -fase. c. Bestendigheid tegen corrosie. 15. Ni-legeringen hebben sterk uiteenlopende eigenschappen zoals magnetische permeabilitiet en corrosiebestendigheid. 16. Ni/CU legeringen a. Monel wordt o.a. toegepast in de levensmiddelenindustrie door de uitmuntende corrosiebestendigheid. b. Constantaan heeft een grote constante elektrische weerstand 17. Cobaltlegeringen zijn zeer hard,hittebestendig, hittebestendig en magnetisch. Door deze gunstige eigenschappen worden deze legeringen o.a. gebruikt voor draaibeitels. 3/7
Hoofdstuk 20: Niet-metalen en composieten 1. De specifieke sterkte van kunststoffen zijn van dezelfde orde als de metalen. De specifieke stekte van kunstoffen blijven echter ver achter. 2. Milieuspanningsbrosheid bij kunststoffen is te vergelijken met spanningscorrosie bij metalen. 3. Keramische materialen krijgen hun eigenschappen door bakken of sinteren. 4. Glas valt niet onder de keramische stoffen, maar omdat de grondstoffen en eigenschappen ongeveer hetzelfde zijn wordt het er toch onder ingedeeld. 5. Keramische materialen worden gekenmerkt door brosse breuk, hoge hardheid en grote elasticiteitsmodulus. 6. Thermische flunctuaties zijn van groot belang bij keramieken. 7. Kermamische materialen zijn bestand tegen de meeste zuren, basen en organische oplossingen en wordt daarom vaak als deklaag toegepast. 8. Naast gewoon glas dat opgebouwd is uit SiO 2 bestaat er ook glas van B 2 O 3 en P 2 O 5. 9. Het harden van glas gebeurt door middel van snel afkoelen waardoor er restspanningen in het materiaal over blijven. 10. De uitzettingscoëfficiënt van glas is zeer laag. 11. Kermes is een metaal keramiek legering waarrbij het metaal als matrix fungeert. Het combineert eigenschappen van beide materialen, en wordt gevormd door middel van poedermetalurgie. Hoofdstuk 21: Materialen voor het gebruik bij hoge temperaturen 1. Materialen die moeten functioneren bij een T> 0,5 T m hebben last van kruip. Belangrijk zijn de kruiprekgrens en kruipbreukgrens. 2. De volgende dingen zijn van invloed voor kruip: a. Door klim kan het aantal dislocaties toenemen en door de verhoogde temperatuur neemt de diffusiesnelheid toe. b. Opgeloste atomen die dislocaties blokkerren kunnen gaan bewegen waardoor dit effect wordt opgeheven. c. Precipitatiegeharde materialen zullen grotere precipitaten krijgen waardoor de bewegingsvrijheid van dislocaties toeneemt. d. Werkversteviging wordt tenietgedaan. e. Er kan korrelgrensafschuiving plaats vinden. 3. Om kruip tegen te gaan kunnen de volgende dingen gedaan worden. a. Toevoegen van legeringselementen zorgt voor verlaging de stapelfoutenergie. b. Materialen nemen met een hoog smeltpunt. c. Toevoegen van precipitaten die bij hoge temperaturen niet vergroven of oplossen. d. Toevoegen van incoherente keramische deeltjes (dispersieharding ). 4. Gesplitste dislocaties kunnen samenvoegen en vormen immobiele dislocaties en zorgen daardoor voor versteviging. 5. In de praktijk speelt ook het oxideren van het materiaal een belangrijke rol in de kruipeigenschappen. Oom oxideren tegen te gaan wordt vaak Cr, Al of Si toegevoegd. 6. Voor toepassingen bij hoge temperaturen komen laaggelegeerde stalen als eerste aan bod. 7. Boven een temperatuur van 600 0 C kunnen austernitische (kvg) stalen worden toegepast. 8. Superlegeringen bestaan uit Fe, Ni, Co en Cr. Het chroom is om de oxidatiebestendigheid te vergroten. 9. In superlegeringen (kvg) zijn veel gesplitste dislocaties aanwezig en dislocaties. 10. Refractory metalen zijn metalen die een zeer hoog smeltpunt hebben en daardoor een lage thermische uitzettingscoëfficiënt hebben en bestand zijn tegen thermische schokken. Nadeel is de slechte weerstand tegen oxidatie. 4/7
Hoofdstuk 22: Materialen voor het gebruik bij lage temperaturen 1. Bij lage temperatuur is er een verhoogde kans op brosse breuk, die bepaald kunnen worden door middel van de Charpy-V test. 2. Metalen met een kvg- rooster vertoont geen brosse breuk, en metalen met een hdp en een krg rooster vertonen dit wel. 3. Mangaan zorgt voor een goede ductilitiet en heeft dus goede eigenschap ten aanzien van brosse breuk. Dit komt omdat Mg een kvg rooster heeft. Ook worden dislocaties minder geblokkeerd. 4. Auternitische stalen hebben ook een kvg rooster en hebben daarom geen overgangstemperatuur. 5. Aluminium wordt toegepast als de sterkte eisen niet te groot zijn, en de constructie licht moet zijn. 6. Koper kan worden gebruikt wanneer een zeer goede warmtegeleiding gewenst is. 7. Metalen met een hdp rooster zijn over het algemeen vrij gevoelig voor brosse breuk. 8. Keramische materialen en kunstofffen zijn te gevoelig voor brosse breuk om onder trekspanning bij lage temperaturen belast te worden. Hoofdstuk 23: De vermoeiingseigenschappen van metalen 1. Breuk door vermoeiing is de belangrijkste oorzaak bij een wisselde belasting. 2. Scheurinitiatie treed vaak op bij spanningsconcentraties (bv. Oppervlak). 3. Levensduur van een materiaal wordt in grote mate bepaald door de scheurinitiatietijd. 4. De vermoeiingssterkte neemt toe met de treksterkte en bedraagd ongeveer de helft van de treksterkte. 5. Om aan het oppervlak van een materiaal alleen maar drukspanningen te krijgen wordt shotpeening toegepast. 6. Ook kan men om drukspanningen aan het oppervlak te krijgen licht nawalsen, oppervlakteharden, carboneren of nitreren. 7. Bij toenemende oppervlakteruwheid neemt de vermoeiingssterkte af. 8. Toenemde temperatuur, verontreinigingen en holtes zullen de vermoeiingssterkte van materialen ook laten afnemen. Hoofdstuk 24: Corrosie en oxidatie 1. Bij een polykristallijn eenfase materiaal kan door de verhoogde energie tussen de kristallen interkristallijne corrosie optreden. De korrelgrenzen zijn een plek van verhoogde energie en gedragen zich daarom vaak sterk anodisch. 2. Sterk gedeformeerde materialen met veel dislocaties hebben een verhoogde inwendige energie en zijn dus gevoeliger voor corrosie. 3. In een materiaal met meerder fasen kan de ene fase als kathode optreden en de andere als anode. 4. Impingement attack is het beschadigen van de beschermede laag in een vloeistof waar langs het oppervlak luchtbellen ontstaan. 5. Cavitatiecorrosie is ongeveer hetzelfde als impingement attack, alleen onstaat er dan alleen onderdruk waardor corrosie ontstaat. 6. Spanningscorrosie onstaat bij materialen met extra spanningen in een corrosief milieu. 7. Vermoeiingscorrosie wordt veroorzaakt door een wisselende belasting van een materiaal in een corrosieve omgeving. 8. Bij interkristallijne corrosie wordt de korrelgrens anodisch ten opzichte van het inwendige van de korrel waardoor corrosie optreed. 9. Bij kathodische bescherming wordt corrosie tegen gegaan door middel van een offeranode of een met een spanningsbron opgelegde spanning. 10. Men kan de omgeving beinvloeden door aan gassen of vloeistoffen stoffen toe te voegen die het corrosieproces tegen gaan. 5/7
Hoofdstuk 25: Slijtage 1. De weerstand tegen slijtage is net als corrosiebestendigheid een systeemeigenschap. 2. Adhesieve slijtage treed op als 2 oppervlakken langs elkaar bewegen. a. Om adhesieve slijtage te voorkomen kunnen als smeermiddelen slecht oplossende materialen worden gekozen. 3. Kunstoffen kunnen ook goed gebruikt worden. Om voldoende vlaktedruk te krijgen kunnen vulstoffen worden toegepast. 4. Bij stalen kan Cr worden toegevoegd en zorgt bij staal en Al voor een oxietlaag, en deze zorgt voor een goede hechting. 5. Abrasieve slijtage is materiaalverlies door het bewegen van een hard materiaal langs dit oppervlak. 6. Er zijn 3 soorten abrasieve slijtage a. Abrasieve slijtage met stootbelasting. b. Abrasieve slijtage met hoge spanningen. c. Abrasieve slijtage met lage spanningen. 7. Hadfield staal wordt toegepast als staal dat grote versteviging kent en grote schokken op kan vangen. Het is een mengsel van austernitisch staal en Mangaan. 8. Materiaalverbeteringen worden vooral aan het oppervlak gedaan zoals: a. Vlam- en inductieharden. b. Oplassen, opspuiten en opdampen. c. Het opnemen van andere materialen (diffusie). 9. Oppervlaktevermoeiing treed op bij een rollend contactoppervlak waarbij door locale contacten en hoge spanningen optreden (wentellagers en tandwielen). Hoofdstuk 26: Plastische vormgeving 1. Warm vervormen vind plaats plaats boven de rekristallisatietemperatuur en koud vervormen er onder. 2. Om goed te kunnen deformeren bij kamertemperatuur moeten er minstens 5 glijsystemen actief zijn. Dit is bij het kvg en het krg rooster wel het geval maar niet bij het hdp. 3. Bij het deformeren kan de structuur in het materiaal anisotroop worden. 4. Bij het op trekbelasting belasten van een eenkristal gaat deze roteren met de afschuifrichting naar de trekrichting toe. Bij drukbelasting is dit juist andersom. Hoofdstuk 27: Verspaanbaarheid 1. Onder verspanende bewerkingen verstaat men frezen, draaien, slijpen en boren. 2. Voor verspanen is het wenselijk om brokkelspanen te hebben, voor een goede afvoer. 3. Naast de taaiheid van het materiaal zijn ook het type gereedschap en de koelvloeistof van invloed. 4. De rekgrens van het te verspanen materiaal moet laag zijn, en insluitels moeten zacht zijn. 5. De verspaanbaarheid van stalen is sterk afhankelijk van het C gehalte in het materiaal. Hoe meer C, hoe beter het materiaal verspaanbaar is. 6. Bij automaten staal is het Mn en S gehalte verhoogd. Het zwavel doet de spaan afbreken en zorgt ook voor smering tussen de beitel en het materiaal. 7. Het ontwikkelen van warmte bij het verspanen kan zeer nadelig zijn, omdat de ductilitiet toeneemt. 8. Het verspanen van austernitisch roestvast staal is zeer moeilijk omdat een deel van het materiaal tijdens het verspanen in martensiet wordt omgezet en dat is een extra hard materiaal. 9. Van de gietijzers is grijs gietijzer verspaanbaar 10. Zuiver koper en Aluminium zijn niet goed verspaanbaar en vormen lange lamellen. 6/7
11. Magnesuimlegeringen zijn zeer goed verspaanbaar, omdat het een hdp rooster heeft, een daardoor bros is. Hoofdstuk 28: Gieten 1. Tijdens het stollen van materiaal treed er slink op, en veroorzaakt holtes. 2. Bij vormgietwerk worden opkomers gebruikt om ervoor te zorgen dat er geen slinkholtes onstaan. 3. Gasholten ontstaan door een teruglopende oplosbaarheid van gassen in een stollend materiaal. 4. De oplosbaarheid van gassen in het kvg rooster is groter dan in het krg rooster. 5. Ook kan er in het stollende materiaal Co onstaan. Dit kan worden voorkomen door desoxidatiemiddelen. 6. Rustig staal is duur, omdat er een deel verwijderd moet worden, ook toegevoegde stoffen zorgen voor een hogere prijs. 7. Door het gieten kan segregatie optreden 8. In het goetstuk kunnen niet-metallische insluitels voorkomen die ten nadele van de eigenschappen van het materiaal. 9. Inwendige spanningen kunnen ontstaan door verschillen in afkoelsnelheden in het gietstuk. 10. Inwendige spanningen zorgen voor een slechtere verspaning van het materiaal. 11. Inwendige spanningen kunnen teniet gedaan worden door spanningsvrij gloeien. Hoofdstuk 29: Lassen 1. Er zijn twee hoofdklassen voor lassen: smeltlassen en druklassen. 2. Het grootste deel van het lassen wordt door middel van booglassen gedaan. 3. Het aangrenzende deel van de lasnaad heeft vaak door de warmte ook een veranderde structuur. Vaak onstaat plaatvormig ferriet (Widmannstattenferriet) heeft nadelige eigenschappen heeft t.o.v. de rest van het materiaal. 4. Warmtescheuren treden op bij temperaturen boven 900 graden. 5. Koudscheuren kan beneden 300 graden ontstaan. 6. Koudscheuren wordt in de hand gewerkt bij brosse harde materialen. 7. Laminaire scheuren komen vooral voor in dikkere materialen. 8. Scheurvorming kan worden tegen gegaan door het zwavelgehalte laag te houden. 9. Koudscheuren kan worden tegen gegaan door brosse structuren te vermijden. 10. Inwendige spanningen kunnen door een mechanische behandeling vermindert worden. 11. Vele stalen moeten worden voorverwarmd om de reeds bestaande structuur van de constructie te behouden en bv. De vorming van martensiet tegen te gaan. 12. Grove en brosse structuren rond de las kunnen teniet gedaan worden door het werkstuk te gloeien. Na het gloeien moet het werkstuk wel weer langzaam worden afgekoeld om ervoor te zorgen dat er geen inwendige spanningen onstaan. 13. Laminaire scheuren kunnen voorkomen worden door ervoor te zorgen dat krimpspanningen loodrecht op het oppervlak minimaal zijn. 14. Aluminium heeft een aantal specifieke eigenschappen: a. Laag smeltpunt. b. Hoge soortelijke warmte. c. Hoog geleidingsvermogen van warmte. d. Hoge uitzettingscoëfficiënt e. Aanwezigheid van Aluminiumoxide aan het oppervlak. 7/7