MATERIALEN 1
Hoofdstuk 1 : Inleiding tot materialenleer
1. Indeling van de materialen in materiaalklassen of materiaalfamilies
4 materiaalfamilies die nodig zijn om producten te ontwerpen en produceren :
1. De metalen ;
2. De macromoleculaire materialen / Polymeren ;
3. De keramische materialen ;
4. De composieten
2. Bespreking van de materiaalklassen
DE METALEN
o INDELING
Meestal bestaat een metaal uit een legering om ze sterker te maken
De toepassing van de op ijzer gebaseerde metalen is dusdanig dominant (sterker dan anderen) dat de
metalen kunnen worden onderverdeeld in Ferro metalen & Non-ferro metalen.
- Ferro metalen : de algemene benaming voor metaallegeringen waarvan het basismateriaal ijzer is
Belangrijke F.M. wijn staal en gietijzer.
> Het zijn legeringen van ijzer en een klein (maar zeer belangrijk) procent koolstof C.
- Non-ferro metalen : Alle metalen en legeringen die niet gebaseerd zijn op ijzer.
• Lichte metalen : Alle metalen en hun legeringen met een dichtheid lager dan 4500 kg/m3.
Bv : Aluminium AL en zijn legeringen
Magnesium Mg en hun legeringen
Titaan Ti en hun legeringen
• Zware metalen : Alle metalen en hun legeringen met een dichtheid hoger dan 4500 kg/m3
Bv : Koper Cu en zijn legeringen
Zink Zn en hun legeringen
Nikkel Ni en hun legeringen
Wolfram W hun legeringen
De edele metalen behoren tot de zware non-ferro metalen : Metalen die in
zuivere toestand niet worden aangetast door zuivere lucht of door zuren. Bv :
goud & zilver
LEGERINGEN :
- Een legering is een combinatie van 2 of meer metalen of van een of meer metalen met een niet
metaal. OF legeringen zijn als eindproduct metalen, die bestaat uit basismetaal en
legeringselement.
- Het is de bedoeling op die manier de eigenschappen van het basismateriaal te verbeteren.
- Atoomsoort in legering, waarvan de concentratie het hoogst is, heet het basismetaal.
- De overige atoom soorten / molecuul soorten heten legeringselementen.
o KENMERKEN & EIGENSCHAPPEN VAN METALEN :
1
, MATERIALEN 1
- Metalen zijn goede geleiders voor warmte en elektriciteit
- Metalen zijn ondoorzichtig
- Metalen zijn meestal onbrandbaar
- Metalen worden harder bij koude vervorming
- Metalen hebben een hoge smelttemperatuur
- Metalen bezitten een hoge stijfheid en een hoge sterkte
- Metalen zijn corrosiegevoelig
- Metalen voelen meestal koud aan
- Glans & plastisch vervormbaar & chemisch
“ Stijfheid is niet hetzelfde als sterkte ‘’
- Een materiaal is stijf – indien een grote kracht nodig is om te vervormen. (buigen)
- Een materiaal is sterk – indien er een grote kracht nodig is om het te breken.
- Specifieke stijfheid :
- Specifieke sterkte :
> Metalen zijn zwaar , daardoor hebben ze een relatief lage specifieke sterkte en lage specifieke
stijfheid.
> Hoe hoger specifieke sterkte & stijfheid, hoe lichter men product/constructie kan maken.
> De ontwerper gebruikt deze afgeleide grootheden wanneer hij/zij een materiaal zoekt voor een
onderdeel dat een bepaalde sterkte en stijfheid moet krijgen en dat tegelijkertijd zo licht mogelijk
moet zijn.
De macromoleculaire materialen of Polymeren
Polymeer : Polymeren zijn stoffen opgebouwd uit macromoleculen. Deze macromoleculen ontstaan
door een aaneenrijging van een groot aantal kleinere eenheden, monomeren genoemd, tot lange
ketens of tot ruimtelijk netwerk.
- De natuurlijke macromoleculaire materialen / natuurlijke polymeren :
> Ze zijn afkomstige uit de levende natuur Bv: hout, leer, bamboe …
> De natuurlijke polymeren zijn hernieuwbare materialen, en dus in principe onuitputtelijk.
> Hun invloed op onze leefomgeving en het ecologische evenwicht is echter bijzonder groot.
Onderscheidt tussen natuurlijke materialen met een lange of met een korte groeicyclus.
> Men noemt deze natuurlijke materialen daarom ook co2-neutrale materialen
• Zeer lange groeicyclus : hout & zeker tropisch hout, Spaarzaam gebruik van maken.
• Korte, meestal eenjarige groeicyclus : vlas & hennep, zijn minder kritisch, leggen CO2
vast tijdens hun groeiproces.
- De synthetische macromoleculaire materialen / Kunststoffen
> Synthetische materialen opgebouwd met behulp van chemische processen. Het zijn dus geen natuurproducten,
maar industriële producten afkomstig uit de chemische industrie vandaar de naam kunst(matige)stof.
• Half synthetische kunststoffen & Vol synthetische kunststoffen
2
, MATERIALEN 1
De keramische materialen incl. de glasachtige materialen
Keramische materialen :
> Ze zijn samengesteld uit metalen en niet metalen. Ze zijn van anorganische aard.
> Ze vormen een soort restcategorie.
o KENMERKEN EN EIGENSCHAPPEN
- Breekbaar en broos
- Niet bestand tegen schokken
- Helemaal niet bruikbaar onder trek- of buigspanning
- Slechte geleiding, zowel voor warmte als voor elektriciteit
De Composieten
Composiet :
> Een composiet bestaat uit een matrix en een wapeningsmateriaal
> Een composiet is dus een combinatie van een matrix met versterkende vezels of andere
materialen.
• Composietmateriaal :
> Een combinatie van een of meerdere materialen, met de bedoeling de interessante
eigenschappen van de samenstellende materialen te verenigen in 1 materiaal.
> Het geheel is dan niets anders dan de optelsom van de goede eigenschappen van de
componenten.
Bv: gewapende beton
• Moderne / kunstmatige composiet :
> Bestaat uit twee of meerdere componenten waarvan de eigenschappen meer presteren
dan de som van de eigenschappen van de afzonderlijke componenten. Dit noemt men de
synergetische effect.
> Een modern composiet is echter tot veel meer in staat
> Niet elke composiet is kunstmatig. Ook in de natuur treffen we composieten aan.
> Bv : Koolstofvezel versterkt epoxy : Een koolstofvezel is bros en zelfs in vezelvorm niet bruikbaar als
koord. onversterkt epoxy breekt bij de eerst slag of stoot. Impregneert men de koolstofvezel met
epoxy, dan vormen deze twee brosse materialen een van de sterkste en meest impactbestendige
nieuwe materialen.
• Bio-composieten :
> Het gebruik van natuurlijke vezels als wapening.
> Zij combineren goede mechanische eigenschappen met interessante ecologische
voordelen. Zij zijn immers biodegradeerbaar en co2-neutraal. Pas als ze gecombineerd
worden met een biopolymeer als matrix, bekomt met een volledige bio-composiet.
3
Hoofdstuk 1 : Inleiding tot materialenleer
1. Indeling van de materialen in materiaalklassen of materiaalfamilies
4 materiaalfamilies die nodig zijn om producten te ontwerpen en produceren :
1. De metalen ;
2. De macromoleculaire materialen / Polymeren ;
3. De keramische materialen ;
4. De composieten
2. Bespreking van de materiaalklassen
DE METALEN
o INDELING
Meestal bestaat een metaal uit een legering om ze sterker te maken
De toepassing van de op ijzer gebaseerde metalen is dusdanig dominant (sterker dan anderen) dat de
metalen kunnen worden onderverdeeld in Ferro metalen & Non-ferro metalen.
- Ferro metalen : de algemene benaming voor metaallegeringen waarvan het basismateriaal ijzer is
Belangrijke F.M. wijn staal en gietijzer.
> Het zijn legeringen van ijzer en een klein (maar zeer belangrijk) procent koolstof C.
- Non-ferro metalen : Alle metalen en legeringen die niet gebaseerd zijn op ijzer.
• Lichte metalen : Alle metalen en hun legeringen met een dichtheid lager dan 4500 kg/m3.
Bv : Aluminium AL en zijn legeringen
Magnesium Mg en hun legeringen
Titaan Ti en hun legeringen
• Zware metalen : Alle metalen en hun legeringen met een dichtheid hoger dan 4500 kg/m3
Bv : Koper Cu en zijn legeringen
Zink Zn en hun legeringen
Nikkel Ni en hun legeringen
Wolfram W hun legeringen
De edele metalen behoren tot de zware non-ferro metalen : Metalen die in
zuivere toestand niet worden aangetast door zuivere lucht of door zuren. Bv :
goud & zilver
LEGERINGEN :
- Een legering is een combinatie van 2 of meer metalen of van een of meer metalen met een niet
metaal. OF legeringen zijn als eindproduct metalen, die bestaat uit basismetaal en
legeringselement.
- Het is de bedoeling op die manier de eigenschappen van het basismateriaal te verbeteren.
- Atoomsoort in legering, waarvan de concentratie het hoogst is, heet het basismetaal.
- De overige atoom soorten / molecuul soorten heten legeringselementen.
o KENMERKEN & EIGENSCHAPPEN VAN METALEN :
1
, MATERIALEN 1
- Metalen zijn goede geleiders voor warmte en elektriciteit
- Metalen zijn ondoorzichtig
- Metalen zijn meestal onbrandbaar
- Metalen worden harder bij koude vervorming
- Metalen hebben een hoge smelttemperatuur
- Metalen bezitten een hoge stijfheid en een hoge sterkte
- Metalen zijn corrosiegevoelig
- Metalen voelen meestal koud aan
- Glans & plastisch vervormbaar & chemisch
“ Stijfheid is niet hetzelfde als sterkte ‘’
- Een materiaal is stijf – indien een grote kracht nodig is om te vervormen. (buigen)
- Een materiaal is sterk – indien er een grote kracht nodig is om het te breken.
- Specifieke stijfheid :
- Specifieke sterkte :
> Metalen zijn zwaar , daardoor hebben ze een relatief lage specifieke sterkte en lage specifieke
stijfheid.
> Hoe hoger specifieke sterkte & stijfheid, hoe lichter men product/constructie kan maken.
> De ontwerper gebruikt deze afgeleide grootheden wanneer hij/zij een materiaal zoekt voor een
onderdeel dat een bepaalde sterkte en stijfheid moet krijgen en dat tegelijkertijd zo licht mogelijk
moet zijn.
De macromoleculaire materialen of Polymeren
Polymeer : Polymeren zijn stoffen opgebouwd uit macromoleculen. Deze macromoleculen ontstaan
door een aaneenrijging van een groot aantal kleinere eenheden, monomeren genoemd, tot lange
ketens of tot ruimtelijk netwerk.
- De natuurlijke macromoleculaire materialen / natuurlijke polymeren :
> Ze zijn afkomstige uit de levende natuur Bv: hout, leer, bamboe …
> De natuurlijke polymeren zijn hernieuwbare materialen, en dus in principe onuitputtelijk.
> Hun invloed op onze leefomgeving en het ecologische evenwicht is echter bijzonder groot.
Onderscheidt tussen natuurlijke materialen met een lange of met een korte groeicyclus.
> Men noemt deze natuurlijke materialen daarom ook co2-neutrale materialen
• Zeer lange groeicyclus : hout & zeker tropisch hout, Spaarzaam gebruik van maken.
• Korte, meestal eenjarige groeicyclus : vlas & hennep, zijn minder kritisch, leggen CO2
vast tijdens hun groeiproces.
- De synthetische macromoleculaire materialen / Kunststoffen
> Synthetische materialen opgebouwd met behulp van chemische processen. Het zijn dus geen natuurproducten,
maar industriële producten afkomstig uit de chemische industrie vandaar de naam kunst(matige)stof.
• Half synthetische kunststoffen & Vol synthetische kunststoffen
2
, MATERIALEN 1
De keramische materialen incl. de glasachtige materialen
Keramische materialen :
> Ze zijn samengesteld uit metalen en niet metalen. Ze zijn van anorganische aard.
> Ze vormen een soort restcategorie.
o KENMERKEN EN EIGENSCHAPPEN
- Breekbaar en broos
- Niet bestand tegen schokken
- Helemaal niet bruikbaar onder trek- of buigspanning
- Slechte geleiding, zowel voor warmte als voor elektriciteit
De Composieten
Composiet :
> Een composiet bestaat uit een matrix en een wapeningsmateriaal
> Een composiet is dus een combinatie van een matrix met versterkende vezels of andere
materialen.
• Composietmateriaal :
> Een combinatie van een of meerdere materialen, met de bedoeling de interessante
eigenschappen van de samenstellende materialen te verenigen in 1 materiaal.
> Het geheel is dan niets anders dan de optelsom van de goede eigenschappen van de
componenten.
Bv: gewapende beton
• Moderne / kunstmatige composiet :
> Bestaat uit twee of meerdere componenten waarvan de eigenschappen meer presteren
dan de som van de eigenschappen van de afzonderlijke componenten. Dit noemt men de
synergetische effect.
> Een modern composiet is echter tot veel meer in staat
> Niet elke composiet is kunstmatig. Ook in de natuur treffen we composieten aan.
> Bv : Koolstofvezel versterkt epoxy : Een koolstofvezel is bros en zelfs in vezelvorm niet bruikbaar als
koord. onversterkt epoxy breekt bij de eerst slag of stoot. Impregneert men de koolstofvezel met
epoxy, dan vormen deze twee brosse materialen een van de sterkste en meest impactbestendige
nieuwe materialen.
• Bio-composieten :
> Het gebruik van natuurlijke vezels als wapening.
> Zij combineren goede mechanische eigenschappen met interessante ecologische
voordelen. Zij zijn immers biodegradeerbaar en co2-neutraal. Pas als ze gecombineerd
worden met een biopolymeer als matrix, bekomt met een volledige bio-composiet.
3
