Inleiding in de materiaalkunde

Inleiding in de materiaalkunde Ir. C.A. Brak

ii Mei 2010

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 Mei 2010 iii

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 iv Mei 2010

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 Mei 2010 v

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 vi Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 Au 1+ Ag 1+ Cu 2+ Sn 2+ Fe 2+ Zn 2+ Al 3+ Mg 3+ Spanning ten opzichte van waterstofelektrode (normaalpotentiaal) +1,5 +0,81 +0,34-0,14-0,44-0,76-1,62-2,84 begin van gebruik <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. Mei 2010 7

Doel van materialenkennis 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, 8 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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) Voorbeeld: 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. 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. Corrosie, slijtage, vermoeiing Metalen, kunststoffen, keramiek... Lassen, verspanen, gieten... Vorm, gebruiksdoel Figuur 1.1 De verschillende factoren, die bij het ontwerpen een rol spelen en nauw met elkaar samenhangen. Mei 2010 9

Doel van materialenkennis 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. 10 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 Chemische Mechanische Technologische Zintuiglijke soortelijke warmte smeltpunt geleidbaarheid uitzettingscoëfficiënt magnetiseerbaarheid weerstand tegen: zuren, basen, water, olie weerstand tegen oxydatie hardheid sterkte taaiheid elastisch gedrag vermoeiingsgedrag gietbaarheid walsbaarheid lasbaarheid oppervlakte gesteldheid verspaanbaarheid klank kleur glans atoomsoort kristalvorm atoomsoort kristalvorm structuur atoomsoort *) kristalvorm microstructuur microstructuur atoomsoort kristalvorm 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. Mei 2010 11

Inwendige bouw van materialen 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 2n 2, 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: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 12 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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. Mei 2010 13

Inwendige bouw van materialen 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 ionenbinding covalente binding metaalbinding van der Waals binding waterstofbinding NH 3 H 2 O voorbeeld materiaal NaCl MgO Si C (diamant) Hg Al Fe W Ar Cl 2 kj / Mol 640 1000 450 713 68 324 406 849 7,7 31 35 51 bindingsenergie Tabel 2.2 Relatie tussen bindingsenergie en smeltpunt van enkele materialen. ev / atoom (ion) 3,3 5,2 4,7 7,4 0,7 3,4 4,2 8,8 0,08 0,32 0,36 0,52 smeltpunt C 801 2800 1410 >3550-39 660 1538 3410-189 -101-78 0 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 14 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 (H 2, O 2, Cl 2 ). 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 Mei 2010 15

Inwendige bouw van materialen 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. 16 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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. Mei 2010 17

Inwendige bouw van materialen 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 10 19 à 10 20 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. 18 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 Mei 2010 19

Inwendige bouw van materialen 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. 20 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen KVG HCP KRG Voor de verschillende roosters komt dit neer op het volgende: vier dichtstgepakte diagonaalvlakken met drie richtingen per vlak; er zijn dus 12 glijsystemen één dichtstgepakt vlak, met drie richtingen per vlak: 3 glijsystemen. 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 allotropie 1 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. metaal Fe Mn Ca en Th Sr Ti, Zr en Hf Co structuren (hoge lage temp.) 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. Mei 2010 21

Inwendige bouw van materialen 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 nietdichtste 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) 22 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 Figuur 2.13 a) Dendrieten aan het oppervlak van een metaal; b) Schematische groei van dendrieten b 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 Figuur 2.14 a) Karakteristieke gietstructuur van een matig snel gekoelde Al-Ni legering. b) Typische gloeistructuur van een Cu-Zn legering (messing). b Mei 2010 23

Inwendige bouw van materialen 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. 24 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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 mm 2: : Z N = 16 2 1. Voorbeeld: Bij ASTM korrelgrootte van 10 is het aantal korrels per inch 2, bij een vergroting van 100 gelijk aan 512, hetgeen overeenkomt met een (gemiddeld) korreloppervlak van ca. 125 µm 2. ASTM no korrels/in 2 bij 100 korrels/mm 2 korrels/mm 3 gemiddelde korreldiameter 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). Mei 2010 25

Inwendige bouw van materialen 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. Gestold metaal Isolatie Vloeibaar metaal Verwarmingselement Figuur 2.16 Een opstelling om met behulp van een entkristal een éénkristal te maken. 26 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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) Mei 2010 27

Inwendige bouw van materialen 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 28 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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. Voorbeeld: 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. 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. Mei 2010 29

Inwendige bouw van materialen 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.. 30 Mei 2010

Inwendige bouw van materialen 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. Mei 2010 31

Inwendige bouw van materialen In een goed uitgegloeid kristal treft men per cm 3 ongeveer 10 6-10 8 cm dislocatielijn aan. door deformatie kan dit aantal toenemen tot 10 12 cm/cm 3. 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. 32 Mei 2010