H5 IJzer en Staal

H1
4 Verschillende constructiematerialen:

Metalen

Kunststoffen

Keramische materialen

Composiet materialen
De atoomsoort bepaalt:

Smeltpunt

Kookpunt

Corrosiebestendigheid
Het kristalrooster bepaald:

Sterkte en hardheid

Elektrische en magnetische eigenschappen

Optische eigenschappen.
De structuur heeft ook gevolgen voor de mechanische eigenschappen en is de enige
waar de mens invloed op heeft.
H2
Materiaal onderzoek
Soorten materiaalonderzoek:

Destructief onderzoek. Wordt uitgevoerd om karakteristieke materiaal
eigenschappen te bepalen. Er bestaat statische beproeving ( trekproef, hardheidproef en dynamische beproeving (kerfslagproef, vermoeiingsproef).

Technologisch onderzoek. Nabootsing bewerkingsmethoden.
Doordiepingsproef van Erischsen  bepaling korrelgrootte, homogeniteit.

Niet destructief onderzoek. O.a. opsporen materiaalfouten.
Penetratie methode  zichtbaar maken van scheurtjes door vulstof.
Magnetische beproeving  magnetisch veld wordt verstoort door scheuren.
Ultrasoon onderzoek  geluid wordt verstrooid teruggekaatst bij fouten.

Structuuronderzoek. Preparaat onder microscoop. Eerst slijpen, polijsten en etsen.
De mechanische eigenschappen die onderzocht worden zijn:

Sterkte (sterk –zwak)  trekproef. De sterkte is de weerstand die overwonnen
moet worden om de samenhang te verbreken.

Taaiheid (taai bros)
 trekproef. De taaiheid is de mogelijkheid tot vervorming
totdat er een breuk optreedt.

Stijfheid (stijf – slap)  trekproef. De stijfheid is de weerstand die een
materiaal biedt tegen elastische (tijdelijke) vervorming.

Stugheid (stug –week)  trekproef. De stugheid is de weerstand die overwonnen
moet worden om het materiaal blijvend te vervormen.

Hardheid (hard – zacht)  hardheidsproeven.
De hardheid is de weerstand
die het materiaal beidt tegen blijvende indrukking.
Hardheidsmeting
Hardheid kan beïnvloed worden door koude vervorming en warmtebehandelingen.
Verschillende meetmethoden:

Brinell. Voor inhomogene en matig harde materialen. Indrukking mag niet te groot
worden, want er kan opstulping aan de rand ontstaan onnauwkeurige aflezing.

Vickers. Dunne harde oppervlaktelagen, enkel kristalliet. Ongeschikt voor ruwe
omstandigheden omdat diamant gevoelig is voor stoten.

Rockwell. Snelle hardheidsmeting bij harde en zachte materialen. Voorlast om
invloed van oppervlakteruwheid en speling in het apparaat te beperken. Verder
rust de punt na de proef zeker op de bodem van het gat.
Trekproef
Elastisch (tijdelijke vervorming: vervorming evenredig aan kracht = wet van Hooke)
 Plastisch (blijvend vervormen)
Spanning: een kracht gedeeld door het oppervlak waarover hij werkt.
Rek: verlenging gedeeld door de oorspronkelijke lengte van de staaf.
In een trekkromme wordt de spanning (y-as) uitgezet tegen de rek.
Er zijn 4 belangrijke punten te herkennen:

De proportionaliteitsgrens. Tot hier is de rek evenredig met de spanning.

De elasticiteitsgrens / rekgrens. Vanaf hier is de vervorming blijvend. De staaf
wordt gelijkmatig dunner; contractie.

De treksterkte. Hoogste punt. Verlenging vind nu alleen plaats door insnoering, dus
doorsnede kleiner, en spanning kleiner.

Breekpunt. Eind van de lijn.
Vloeien is het verschijnsel dat sommige metalen (koolstofarm staal) plotseling sterk
rekken bij het bereiken van de elasticiteitsgrens terwijl de spanning ongeveer gelijk blijft.
De ware trekkromme ontstaat wanneer we de spanning berekenen door de optredende
kracht te delen door de werkelijke (kleiner wordende) doorsnede.
H3
De structuur
Speciale eigenschappen metalen:
 Spiegelend
 Elektrisch geleidend
 Warmtegeleidend
 Goed koud vervormbaar.
Het kristalrooster is een stapeling van ionen die in alle richtingen regelmaat vertoont.
Eenheidscellen zijn de volume elementen waaruit een kristalrooster is opgebouwd.
Een metaal is goed koud vervormbaar doordat de binding door vrije elektronen bij
verschuiving van de ionen blijft bestaan.
Kristalstructuren:

Kubisch vlakken gecenterde rooster. Ruimte optimaal bezet met atomen, daarom
ook wel dichtste bolstapeling genoemd. Eenheidscel bevat 4 atomen.

Kubisch ruimtelijk gecenterde rooster. Eenheidscel bevat 2 atomen.

Hexagonale dichtste bolstapeling. Eenheidscel bevat 6 atomen.
Alleen metalen met een eenvoudig kristalrooster zijn voldoende te vervormen zonder
scheuren. Metalen met een ingewikkeld rooster zijn bros.
Kristalfouten:

Puntfouten. Vacatures: niet bezette roosterplaats. Hoger aantal bij hogere
temperatuur. Vreemde atomen: Een substitutioneel geplaatst atoom bevindt zich
op een roosterplaats en vervormt het rooster vanwege zijn andere formaat. Een
interstitieel geplaatst atoom bevindt zich tussen de roosteratomen en vervormt het
rooster.

Lijnfouten of dislocaties. Lijndislocatie en Schroefdislocatie.

Fouten over het gehele vlak. Korrelgrenzen en verontreiniging aan deze grenzen.
Plastische vervorming van volmaakte kristallen.
Plastische vervorming door afschuiving langs glijvlakken.
De loodrechte component van de kracht trekt de atoomlagen iets uit elkaar zodat de
evenwijdige component ze langs elkaar kan verplaatsen.
Verschoven lagen vormen aan het oppervlak een trapstructuur, hierdoor ontstaat een
mat oppervlak.
Het glijden van een materiaal gebeurt bij voorkeur tussen de dichtst bezette
roostervlakken die een hoek maken met de uitgeoefende kracht, omdat ze onderling de
grootste afstand hebben.
Plastische vervorming in een technisch kristal (kristal met dislocaties) vindt plaats door
de verplaatsing van dislocaties.
Fijn korrelig materiaal is moeilijker te vervormen dan grofkorrelig omdat in polykristallijne
het verplaatsen van dislocaties eindigt aan de kristalgrens.
Metalen met vreemde atomen zijn ook moeilijker te vervormen omdat deze atomen een
versperring vormen voor het verplaatsen van dislocaties.
Hieruit is te verklaren dat zuivere metalen zacht en goed vervormbaar zijn en onzuivere
en gelegeerde harder en brosser.
H4 Binaire legeringen
Een legering is een fysisch mengsel van twee of meer materialen in de vaste fase.
Een binaire legering is een legering die uit twee atoomsoorten bestaat.
Het basismateriaal is de atoomsoort met de hoogste concentratie, de andere atomen
heten de legeringelementen. Bijmengsels en onzuiverheden zijn ook deel van een
legering.
Afkoelkrommen:
Temperatuur- tijddiagrammen waarin aangegeven is hoe een stof zich tijdens het stollen
gedraagt.

Zuiver metaal. Temperatuur blijft constant bij stollen. Dit is een stolpunt.

Legering van A en B volledig oplosbaar in vaste fase. Stoltraject.

Legering van A en B beperkt oplosbaar in vaste fase. Stoltraject met daarna
stolpunt.

Legering van A en B niet oplosbaar in vaste fase. Stoltraject met daarna stolpunt.
Stollingsdiagrammen.

A en B volledig oplosbaar in vaste fase.  vaste oplossing.
Kan een substitutioneel (kan alleen voorkomen als beide componenten dezelfde
opbouw hebben) of interstitieel (wanneer legeringcomponent kleinere atomen
heeft) rooster opleveren. Rooster wordt vervormd , dus sterker en harder.
De stollingsdiagram heeft de vorm van een surfplank die een hoek maakt van 45˚
met de x-as.

A en B lossen beperkt in elkaar op  mengsel van twee vaste oplossingen.
De maximale oplosbaarheid is afhankelijk van de temperatuur.
Bij hoge temperaturen gedraagt de legering zich als een volledig oplosbare.

A en B lossen niet in elkaar op in vaste fase mengsel van basismateriaal en
kristallen van de legeringcomponent.
De liquiduslijn is V-vormig en de soliduslijn horizontaal. De onderkant van de V –
vorm ligt op de mengverhouding waarin er alleen een stolpunt is. Eutecticum.

A en B lossen in elkaar op en vormen een chemische verbinding  mengsel van
de vaste oplossing en chemische verbinding
Weer te geven met twee stollingsdiagrammen.
Eutecticum is een mengverhouding en temperatuur waarbij een in de vaste fase
onoplosbare legering, bij constante temperatuur (stolpunt) tot een mengsel van fijne
kristallen stolt.
Eigenschappen van een eutectische legering:

Stolpunt, dus dun vloeibaar voor stollen, dus goed gietbaar.

Zeer kleine kristallen in vaste toestand, dus goede mechanische eigenschappen.
H5
IJzer en Staal
IJzer ondergaat bij het afkoelen na het stollen nog roosteromzettingen. Bij deze
roosteromzettingen geven de atomen warmte af, zodat er een horizontale lijn ontstaat in
de afkoelkromme. Er zijn verder ook horizontale lijnen op plekken waar het rooster
omspringt naar een ander type.
In het temperatuurgebied waarin ijzer kubische vlakken gecenterde structuur heeft is de
interstitiele ruimte in de kubus groot genoeg om een koolstofatoom op te nemen. Er
ontstaan dan homogenen mengkristallen die austeniet heten. Wanneer de temperatuur
verder daalt gaat de structuur over in een kubisch ruimtelijke structuur. C gaat uit
oplossing en er ontstaat perliet
Perliet is een eutectoide dat bestaat uit lamellen zuiver ijzer en lamellen cementiet.
Bij kamertemperatuur zijn 2 verschijningsvormen van de ijzer- koolstof legering mogelijk:

Tijdens de afkoeling wordt alle koolstof chemisch gebonden aan het ijzer. De naam
van deze verbinding is cementiet. Bij langdurig gloeien valt de oplossing uiteen tot
ijzer en koolstof. (Metastabiele ijzer-koolstof diagram)

Als bij de afkoeling tot kamertemperatuur alle koolstof vrij in de structuur voor komt
, is de ontstane structuur stabiel. (Stabiele ijzer-koolstof diagram)
Staal op kamertemperatuur bestaat uit ferriet en cementiet.
Mechanische eigenschappen van componenten van staal:

Ferriet (zuiver ijzer)  zacht, niet sterk, goed koud vervormbaar. Ferro-magnetisch

Cementiet (ijzer koolstofverbinding, gecompliceerd kristalrooster zonder
glijvlakken)  hard, sterk, bros, niet koud te vervormen.

Perliet (mengsel ferriet en cementiet : staal )  eigenschappen van beide.
H6
Warmtebehandelingen
Een warmtebehandeling is een tijdje opwarmen en dan afkoelen.
Soorten warmtebehandelingen
Gloeibehandelingen:

Normaalgloeien: herstellen normale, fijne, ronde, gelijkvormige structuur na
smeden, walsen, trekken of gieten.
Opwarming tot in het austeniet gebied, zodat cementiet lamellen worden
opgenomen in de fijne austeniet korrels. Snelle afkoeling zodat er weer ferriet en
perliet ontstaat, maar nu met een fijne korrel.
Na het lassen, na het diffusiegleoeien.

Diffusiegloeien: gelijkmatig verdelen van structuurbestanddelen om een
homogeen werkstuk te krijgen.
Opwarming tot in het austeniet gebied, zodat vreemde moleculen op kunnen
lossen in de vl. gecen. kub. struuctuur. Hierdoor worden de vreemde atomen
gelijkmatig verdeeld. Er kan bij lang gloeien in het austeniet gebeid korrelvergroting
optreden.
Verspreiding zwavelverbindingen in walsstructuur.

Zachtgloeien: hardheid van staal zo laag mogelijk maken en rek zo groot mogelijk.
Bij verwarming net onder het austeniet gebied (723˚) gaat het lamelvormige
cementiet door het streven naar een kleine oppervlaktespanning over in een
bolvorm. Daarna wordt het langzaam afgekoeld.
Gehard staal zacht maken. Voorbereiding harden. Voorbereiding spaanloos
vervormen.

Spanningsarm gloeien: verminderen van de inwendige spanningen van het
materiaal.
Verwarmen zodat spanningsgebieden plastisch kunnen vervormen. Traag
afkoelen, om nieuwe spanningen door temperatuursverschillen te voorkomen.
Voorbereiding voor verspanend bewerken. Gelaste constructies.

Rekristalliserend gloeien: omlaag brengen hardheid materiaal ten gevolge van
koude vervormingen.
In de meest vervormde gebieden zij veel dislocaties. Wanneer er gegloeid wordt
ontstaan er in deze “kiemgebieden” nieuwe kristalstructuren. De bestaande
structuur wordt vervangen.
Halffabrikaten met een kleine doorsnede kunnen op het een van hun
vervormbaarheid komen voor de gewenste vorm is bereikt. Om verder te kunnen
wordt er rekristalliserend gegloeid. Ook wel tussengloeien.
Bij hoge temperaturen is er een tendens tot korrelgroei, doordat de oppervlaktespanning
van 2 kleine korrels groter is dan die van een grote korrel.
Korrelgroei verlaging rekgrens, sterkte en hardheid.
Harden (staal met 0,4% C)

Koelharden.
 Afkoeling door oven  perliet + ferriet
 Afkoeling door lucht  perliet + weinig ferriet
 Afkoeling door loodbad  fijn laminair perliet.
 Afkoeling door olie marteseniet + zeer fijn lamellair perliet
 Afkoeling door water Marteseniet.

Oppervlakte harden.
 Vlamharden: verwarmen met brander tot verhardingstemperatuur en afspoelen.
 Carboneren: verhitting in gas of vloeistof dat koolstof afgeeft. Harde
oppervlaktelaag (1mm ..) en taaie kern. Voor staal met gering koolstof
gehalte. Voor slijtvaste assen, tandwielen enz.
 Nitreren: diffusie van stikstofatomen in het staal  Zeer harde oppervlaktelaag,
maar dun. Onderdelen met hoge drukbelasting, maar weinig slijtbelasting.
 Inductieharden: snelle verhitting oppervlak door inductiestroom. Weinig
oxidatie.
H7
Aluminium
Eigenschappen:

Lage elektrische weerstand.

Grote thermische geleiding.

Lage weerstand tegen elastische vervorming. Lage stijfheid.

Hogere hardheid bij lage temperaturen.

Lage rekristallisatie temperatuur, maximale gebruikstemperatuur aluminium
legeringen: 200 –250 ˚ C

Hoge corrosie weerstand door beschermende oxidelaag.

Hoge uitzettingscoëfficiënt, dus problemen bij multi metaal constructies.

Niet geschikt voor gieten door grote volume verandering bij stollen.
Sommige aluminium legeringen hebben een lage sterkte. Deze kan versterkt worden
door koudeverstevigingen zoals: koudwalsen, dieptrekken.
Anodiseren:
Aluminium anodisch inschakelen in elektrolyt die het oxide niet aantast compacte,
amorfe oxidelaag (sperlaag)
Aluminium anodisch inschakelen in elektrolyt die het oxide wel aantast eerst sperlaag,
daarna dikke, poreuze laag. Deze poreuze laag kan worden naverdicht door
onderdompeling in water.
De niet naverdichtte poreuze laag is een goede basis voor verf of lijm.
Precipitatieharden:
Wordt veroorzaakt door diffusie in de vaste fase bij kamertemperatuur of 120-180 ˚C.
3 Stappen:
1. Oplosgloeien: bij verwarmen even onder de eutectische temperatuur worden
mengkristallen en grove uitscheidingen omgezet in homogene mengkristallen.
2. Afschrikken: er kan geen diffusie plaats vinden en er zijn nu bij
kamertemperatuur onverzadigde moleculen.
3. Precipiteren: men laat het materiaal enige tijd bij kamer temperatuur liggen. Er
ontstaan nu gebieden waarin het de concentratie van het legeringelement
toeneemt.
Als dit coherent gebeurt zijn er geen duidelijke grensvlakken, maar wel een
vervorming van de structuur. Dus verhoging van de rekgrens en sterkte.
Bij de meeste metaal legeringen lukt het precipitatieharden niet omdat er
incoherente deeltjes ontstaan die met grensvlakken gescheiden zijn van de
matrix.
Men kan precipitatie vertragen door de onderdelen koud te bewaren na het
afschrikken
Gunstige mechanische en fysische eigenschappen van aluminium legeringen:

Dichtheid 1/3 die van staal

Verhouding sterkte/ gewicht is hoog.

Veel zijn lasbaar.

Goede corrosiebestendigheid

Goed te extruderen en spuitgieten

Goed koud vervormbaar

Niet magnetisch

Niet giftig

Groot elektrisch geleidingsvermogen
H8
Corrosie
Corrosie is de ongewenste aantasting van een materiaal ten gevolge van chemische of
elektrochemische reacties met zijn milieu. In dit hoofdstuk gaat het vooral om
elektrochemische corrosie.
Wanneer de eerst gevormde oxidehuid op een metaal een kleiner volume heeft dan het
materiaal waaruit het is ontstaan, komen poriën en scheurtjes in de oxidehuid en gaat de
aantasting steeds verder.
Een elektrolyt is een vloeistof met daarin in ionen opgesplitste zuren, basen en zouten.
Twee verschillende metalen in aanraking met een elektrolyt vormen een galvanistisch
element. Dit element is de bron van corrosie.
Een galvanistisch element bestaat uit:

De anode  onedel metaal, geeft elektronen af en gaat als ion in oplossing.

Een elektrolyt. ionen in een waterige oplossing.

De kathode edeler metaal en blijft onveranderd.
De neiging van een metaal om door het afstoten van elektronen over te gaan in de
geïoniseerde toestand noemt men de oplossingsdruk. Deze kan gemeten worden als
een elektrische spanning: de normaalpotentiaal.
Corrosievormen:

Uniforme corrosie: hele metaaloppervlak wordt homogeen aangetast. Technisch
niet zo schadelijk, want snelheid proces is bekend.

Contactcorrosie: treedt op als er contact is tussen verschillende materialen die zich
in het zelfde milieu bevinden. Snelheid afhankelijk van verhouding edel / onedel.

Selectieve aantasting: ontstaat wanneer een metaal een mengsel is uit
verschillende kristallen. Interne contactcorrosie.

Interkristallijne corrosie: bij metalen met 1 kristal. Anode is gebied langs
korrelgrens, kathode is rest van het materiaal.

Puntvormige corrosie: bij aanwezigheid van beschermende lagen met
beschadigingen.

Spleetcorrosie: treedt op in bodem van scheurtje. Ook bij afzetting vuil.

Spanning en vermoeiingscorrosie: delen van het materiaal waar inwendige
spanningen zijn zullen zich anodisch gedragen.
Er zijn drie soorten corrosiepreventie:
1.
Ingrijpen in de reactie.
 Oppervlak homogener en gladder maken goede oxidelaag
 Kathodische bescherming zorgen dat materiaal edeler is dan omgeving.
2.
Afdekken van het metaal.
 Niet metalen: vochtige lagen (olie,vet), verven of emaille.
 Metalen:metaallaag opbrengen in smeltbad, galvaniseren (elektrolytisch
aanbrengen), thermisch spuiten (met grote kracht aanbrengen laag), plateren
(nieuwe laag gieten walsen of lassen), Conversielagen (chemisch
aangebrachte lagen).
3.
Constructie en ontwerpaanpassing: voorkomen van plekken die ontoegankelijk zijn
voor schilderwerk en waar vuil en vloeistof zich ophoopt.
Roest: gemengde laag van ijzeroxide en ijzerhydroxiden aan oppervlak.
Austenitisch staal: omzetting van austeniet naar ferriet ( = vergroten austeniet gebied)
treedt op onder kamertemperatuur niet meer te harden.
Corrosievaste staalsoorten:

Roestvast staal: 1 soort mengkristallen, corrosie bestendige oxidelaag (door
legering met chroom ontstaat er een beschermende chroomoxidelaag).

Mertesenitsch roestvast staal: beste corrosie bestendigheid in geharde toestand;
homogene structuur. Niet lasbaar

Austenitisch roetsvast staal: beste corrosie bestendigheid, niet te harden, lasbaar.

Ferritisch roestvast staal: corrosie vast als ze zuiver ferritisch zijn, bros bijlage
temperaturen, niet te harden