Samenvatting Contruction Materials and Sustainability

lOMoARcPSD
Part I-a, Fundamental Material Science.
LECTURE 01: INTRODUCTION TO MATERIAL SCIENCE
Civil Engineer :
- Een ontwerper die wegen, bruggen dammen en vergelijkbare structuren ontwerpt en in
stand houdt.
- Ontwerpers ontwerpen materialen, structuren en machines, terwijl er rekening wordt
gehouden met de veiligheids limieten en kosten.
- Moet er voor zorgen dat een ontwerp goed functioneert.
- Het ontwerp moet duurzaam zijn tegen verschillende externe aspecten.
- Het ontwerp moet economisch en duurzaam zijn.
Subatomic level: Elektronische structuren waar intermoleculaire bindingen zijn.
Atomic level: Kristalstructuren.
Microscopic level : korrels onder de microscoop
Macroscopic: wat met het blote oog gezien kan worden.
LECTURE 02: ATOM, CRYSTALS AND DISLOCATIONS
Atom.
- In de kern bevinden zich protonen (+1) en neutronen (0).
- Atomen van dezelfde chemische stof hebben hetzelfde aantal protonen, terwjil deze een
ander aantal neutronen kan bezitten.
- Elektronen (-1) bevinden zich in de elektronen wolk om de kern en zijn negatief geladen.
- Bij een neutraal atoom: Protons = Elektrons
- Dezelfde atomen met ander aantal neutronen: Isotopen.
Atoomnummer = aantal protonen in de kern
Atoommassa = de som van de massa van de protonen en neutronen in de kern. (massa elektronen
is verwaarloosbaar klein)
Electron Orbitals.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6…
#Xn =
# = (hoeveelste schil (1,2…..p)
X = S(2), P(6), D(10), F(14)
N = aantal elektronen in die schil.
11
Na = 1s2 2s2 2p6 3s1 (2+2+6+1 = 11)
Atom to Ion.
Atomen proberen elektronen af te staan, of op te nemen, hierdoor zijn de atomen niet meer
neutraal maar krijgen ze een positieve of negatieve lading. Dit heet een ion
Atomic radius.
De radius van een atoom is de afstand van de kern tot het verste elektron. (More elektrons – bigger
radii)
Ionic radii
Een positief ion is altijd kleiner dan de originele neutrale vorm, en een negatief ion is altijd groter.
lOMoARcPSD
Ionization energy (I.E.)
de energie die nodig is om een elektron af te staan van een gas-atoom naar een gas-ion.
M(g)  M+(g) + e- Elke stof heeft een andere ‘I.E.’ , en de stoffen met de laagste ionization energy staan links
onder in het periodiek stelsel. Hier staan de metalen.
- De meest belangrijke eigenschap van een metaal is dat ze relatief makkelijk een elektron
afstaan.
Chemical Bonds.
Tussen de atomen: Metaal-binding, ion-binding en covalente-binding = strong
Tussen de moleculen : Van der Waals = zwak.
Metaal-bindingen onstaan tussen metalen die een sterke neiging hebben om een elektron af te
staan.
Elementen die moeilijk elektronen afstaan of opnemen worden bij elkaar gehouden door covalente
bindingen. Covalente-bindingen zijn sterker dan ion-bindingen.
Ion-bindingen : Na+ + Cl-  NaCl.
- Ongeveer 90% van alle mineralen zijn ion-bindingen.
Elektronegatieviteit : de kracht van een molecule om elektronen
naar zichzelf aan te trekken
Elektronegatieviteit en verbindingstype.
1. Als het verschil tussen de elektronegatieviteit (^EN) kleiner is dan 0,5, dan is er sprake van
een non-polaire covalente binding.
2. Als ^EN tussen de 0.5 en 1.6 is, is er sprake van een polaire covalente binding.
3. Als ^EN > 2.0 dan is er spake van een ion-binding.
4. Als er geldt: 1.6 < ^EN < 2.0 + er is een metaal bij betrokken, dan is het een ion-binding. Als
er alleen niet-metalen voorkomen dan wordt de verbinding als polair-covalent beschouwd.
Fraction covalent
Combinaties van metalen en niet metalen hebben een mix van ion-bindingen en covalente
bindingen. Wanneer de ^EN groter wordt, wordt de binding meer een ion-binding. Het deel van de
covalente binding kan worden berekend met:
e(-0,25*(^EN)^2)
Van der Waals bonds, intermolecular attractive forces
De ‘Secondary bonding forces’ ontstaan vanuit atomische of moleculaire dipolen. Een elektronische
dipool komt voor wanneer er een scheiding is van de positieve en negatieve delen van een atoom of
molecuul. 3 mogelijke bindingen zijn : Dipool-Dipool krachten, London dispersion krachten en
Hydrogen bonding.
Hydrogen binding ontstaat als waterstof in aanraking komt met N, O of F.
Relationship with E-modulus.
De kracht – afstands grafiek laat de relatie tussen de atoombinding en de E- modulus zien voor 2
materialen. Een steile dF/da raaklijn geeft een hoge modulus aan, en dus een sterke binding.
lOMoARcPSD
Thermal expansion coefficient
Als de grafiek niet symmetrisch is dan verplaatst de gemiddelde
stand waarin in het atoom zit verplaatst met de temperatuur. De
bindingslengtes veranderen daardoor. Als de temperatuur stijgt,
dan stijgt de bindingslengte ook.
Als de grafiek symmetrisch is dan is er geen verplaatsing van de
gemiddelde positie van het atoom, de thermische uitzettingscoefficient is te verwaarlozen.
Hoe dieper de enegiegrafiek. Hoe hoger het smeltpunt.
Binding energy
Binding energies for the four bonding mechanisms
Ionic
Covalent
Metallic
Van der Waals
150 – 370 kcal/mol
125 – 300 kcal/mol
25 – 200 kcal/mol
< 10 kcal/mol
Ion-binding = Hoog smeltpunt, hard en bros en niet geleidende vaste stof (NaCl, CaCl2, ZnS)
Metaal-binding = variabel smeltpunt, variabele hardheid, geleidend (Fe, Cu, Ag)
Covalente-binding = Hoog smeltpunt, erg hard, doorgaans niet geleidend. (diamant, grafiet)
VD Waals-binding = laag smeltpunt, zacht en bros en niet geleidend (Ne, talc mica, clay)
Waterstof-brug = laag smeltpunt, zacht en bros en doorgaans niet geleidend (ijs, organische vaste
stoffen)
Atomic Arrangements
Short range order (SRO), Long range order (LRO)
3 verschillende variaties : 
Amorphous materials
Materialen die bestaan uit enkel SRO atomen of ionen is een vormloos materiaal, een niet kristal.
Lattice and Unit Cells.
Een roosterwerk is een collectie van punten, die lattice points worden genoemd, die zijn
gerangschikt in een periodiek patron zodat de omgeving van elk punt in het rooster gelijk zijn.
Een unit-cell is de onderverdeling van een lattice dat nog de algemene kenmerken van een het
gehele rooster behoudt.
Crystalline material
Een crystalline material is waar the atomen geplaatst zijn in een herhalende vorm over een grote
atomische afstand. De atomen zullen zichzelf posititioneren op een herhalende manier in het 3d
vlak. Waarin elk atoom verbonden is met zijn naarste buur-atomen.
lOMoARcPSD
Metallic crystal structures
3 relatief simpele kristallen : 
2 andere belangrijke eigenschappen van een kristalstructuur
zijn het coordinatie nummer en de atomische pakkings factor.
Voor metalen heeft elk atoom hetzelfde nummer (allemaal de
Dezelfde afstand tot het dichtsbijzijnde buur-atoom.
Voor (FCC) is het coordinatiecijfer 12.
Atomic Packing Factor = Volume van de atomen in de eenheidscel / totale volume van de
eenheidscel.
Berekening van de dichtheid : 
Lineaire dichtheid : hoeveelheid atomen die zich centraal in de richting van de vector bevinden /
lengte van de vector
Vlakke dichtheid: aantal atomen de zich centraal bevinden op het vlak / gebied van het vlak
Single crystals
Een single crystal is daar, wanneer de periodic and repeated arrangement van atomen perfect op
elkaar aansluit.
Polycrystalline materials
De meeste kristallijnige stoffen zijn samengesteld uit een collectie van allemaal kleine kristallen of
korrels. Dergelijke materialen worden Polycrystalline materials genoemd. Omdat de kleine kristallen
en korrels niet helemaal goed op elkaar aansluiten onstaat er ruimtes tussen bepaalde delen. Deze
ruimtes worden grain boundaries genoemd.
Anisotropy
De E modulus, de elektrische geleidenheid en de brekingsindex van metalen hebben verschillende
waardes in de verschillende richtingen((001) (010) (111) enz). Deze gerichtheid van eigenschappen
wordt anisotropy genoemd (anisotropie)
Stoffen die afhankelijk zijn van de meetrichting worden Isotropic genoemd.
Imperfections.
door een verstoring in het kristalrooster kan het ontwerp bezwijken.
Dislocations zijn het grootst in metalen en legerningen omdat deze bijdragen tot een mechanische
plastische vervorming.
lOMoARcPSD
Plastische vervorming verwijst naar omonkeerbare vervorming. Dit is omdat de druk ontwrichting
veroorzaakt die op zijn beurt blijvende vervorming veroorzaakt.
Slip
De verplaatsing van een groot aantal dislocaties veroorzaakt plastische vervorming.
- Dislocations don’t slip, atoms slip, dislocations glide.
- Slip zou ook plaatsvinden in het geval zonder dislocaties, echter in het geval van dislocaties
maken het slippen mogelijk op een lager stressniveau.
LECTURE 03: MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS
Mechanics and chemistry
- Stoffen worden bij elkaar gehouden door chemische en fysieke verbindingen tussen hun
atomen en moleculen, maar elke stof kan worden gebroken op verschillende manieren:
Mechanische breuk, smelten of door een chemische aanval.
Response of materials to stress
- Wanneer een vaste stof wordt blootgesteld aan externe belasting, dan vervormd het
ogenblikkelijk. In het algemeen, wanneer het om een kleine belasting gaat, is de vervorming
omkeerbaar.
- Een stijf materiaal bestaat niet, elke stof vervormd.
Stress : de relatie tussen de toegepaste belasting en het oppervlakte van het vlak.
Strain : het verschil tussen de vervormde lengte en de originele lengte van het
materiaal.
Compression : als het materiaal korter wordt dan het voorheen was.
Tension : als het materiaal langer wordt dan het voorheen was.
Hooke’s law :
Quick thoughts on E-Modulus
- Stress is onderverdeeld in een nummer zonder eenheid, maar de Emodulus is stress met de eenheid GPa, MPa.
- E-modulus is de benodigde spanning (stress) om de lengte van een
voorwerp te verdubbelen. Als het daarvoor nog niet gebroken is.
- Sterkte is niet hetzelfde als stijfheid. De E-modulus is bezig met hoe stijf, flexibel of
veerkrachtig een materiaal is, sterkte is de kracht die nodig is om een materiaal te breken.
- De E-modulus is gerelateerd aan de kwaliteit van de atoombindingen, terwijl er geen relatie
is tussen deze bindingen en de sterkte.
Voor lineair elastische materialen is de E-modulus gevonden door de raaklijn aan de grafiek te
bepalen.
Voor niet lineaire grafieken geldt de wet van Hooke niet.
Lineaire materialen : Staal, koolstofvezel, glas
Niet lineaire materialen : Rubber, beton, gietijzer.
Poisson’s ratio :
wanneer V < 0,5, de trekspanning veroorzaakt een vergroting.
lOMoARcPSD
Plastic deformation
Permanente of plastische vervorming is daar wanneer het voorwerp, nadat een belasting wordt
verwijderd, niet meer terugkeert in zijn oorspronkelijke vorm.
- Een breuk als gevolg van een belasting komt vaak voor bij brosse materialen.
- Hoe groter een voorwerp is, hoe kleiner de benodigde kracht om het te breken.
Yielding
- Verbuiging (yielding) veroorzaakt een permanente
onomkeerbare vervorming voor materialen.
- Komt het meeste voor bij kristallijne of
polykristallijne materialen.
Shear stress :
ɸ : de hoek tussen trekas, en de normaal tot op het slip
vlak.
Λ : op het slipoppervlak de hoek tussen de trekas en de
richting van het slippen.
- Als λ = ɸ = 45* dan
Strain hardening
Nadat het buigproces is begonnen is er extra stress nodig voor extra strain, dit wordt strain
hardening genoemd.
Strain hardening komt voor omdat er een hogere dislocatie dichtheid optreed bij de korrelgrens
(Grain boudary)
Resilience
Resilience is het vermogen om energie te absorberen wanneer het elastisch is vervormt.
Ur = sigma2y / 2E
Toughness : het vermogen van een materiaal om energie te absorberen en plastisch te vervormen
Voor de breuk
Shear stress
T = F/A0
Shear modulus
Effect of testing parameters
- Snelle belasting leid tot hogere sterkte
- Hogere temperatuur leid tot grote vervormbaarheid, maar lagere yield strength, fracture
strenght en E-modulus.
- Groter materiaal, lagere sterkte.
Compressive testing
Het is moeilijk om buigzame materialen te testen op samendrukking, testen op uitrekking gaat beter.
Brittle materialen zijn wel geschikt voor samendrukkingstesten.
lOMoARcPSD
Hardheid is een maat voor materialen hoe deze materialen zichzelf verzetten tegen plastische
vervorming.
- Hardheidtesten worden vaak toegepast omdat ze goedkoop en simpel zijn, de test is niet
vernietigend en andere mechanische eigenschappen kunnen vaak worden geschat.
LECTURE 04: FRACTURE MECHANICS, FATIQUE AND RHEOLOGY
Fracture
Simple fraction : de scheiding van een materiaal in 2 of meer delen.
- Breuken kunnen ook optreden als gevolg van het moe worden van het materiaal. En van
kruip.
Ductile fracture is wordt meer geapprecieerd dan brittle
fracture omdat:
- Bij brittle onstaat de breuk uit het niets en dus
zonder waarschuwing
- Er is meer strain energy nodig bij ductile fracture
dan bij brittle.
Fatique
Vermoeidheid is een vorm van het falen van materialen dat ontstaat door dynamische en
fluctuerende spanningen. Onder deze omstandigheden is het mogelijk dat een materiaal al instort
voordat yield strength is bereikt.
- Fatique failure is catastrofisch en ogenblikkelijk en zonder waarschuwing.
S-N curve
Endurance Limit : een stresshoeveeld waaronder er zoveel kleine belastingen kunnen worden
uitgevoerd zonder dat het materiaal zal falen
Fatigue life: aantal kleine belastingen waarna een materiaal zal instorten – onder de gegeven applied
stress.