Materiaal en productietechnologie
Hoofdstuk 1: Materialen en processen volgens Ashby
Inleiding:
- In de cursus wordt gewerkt met de ontwerp gedreven aanpak in elk hoofdstuk wordt een bepaald
aspect van het materiaalgedrag behandeld
Materiaaleigenschappen:
- Algemene eigenschappen:
▪ Massadichtheid (kg/m3)
▪ Kostprijs
- Mechanische eigenschappen:
▪ Elasticiteit of stijfheid: vermogen om te vervormen als gevolg van een belasting waar bij het
wegnemen van de belasting de vervorming opnieuw verdwijnt
▪ Sterkte: Weerstand die het materiaal biedt tegen permanente vervorming als gevolg van een
belasting
• Vloeispanning (metalen)
▪ Breuktaaiheid: vermogen van een materiaal om onder een belasting niet te breken
- Thermische eigenschappen:
▪ Kruip: Onder belasting van een lage constante belasting kunnen materialen doorbuigen
wanneer de temperatuur verhoogd wordt
▪ Uitzetting: De meeste materialen zetten uit bij een verhoging van de temperatuur
▪ Thermische geleidbaarheid: De snelheid waarmee warmte zich door een materiaal verplaatst
Materialen:
- 4 materiaalfamilies:
▪ Keramische materialen en glassoorten:
• Niet-metallische, anorganische vaste stoffen
• Stijf, hard, goed bestand tegen slijtage
• Goed bestand tegen corrosie
• Meestal goede elektrische isolatoren
• Keramische materialen behouden sterkte tot hoge temperaturen
• Glas kan gesmolten worden bij hoge temperaturen
▪ Metalen en legeringen:
, • Metallische, anorganische vaste stoffen
• Tamelijk hoge stijfheid
• Zuivere metalen zijn zacht
• Sterken door legeren/thermo-mechanische behandeling
• Smelten bij hoge temperatuur
• Vormgeving kan door omvormen/gieten
▪ Polymeren en elastomeren:
• Organische vaste stoffen
• Opgebouwd uit lange ketens van koolstofatomen
• Lagere massadichtheid dan de lichtste metalen
• Polymeren hebben lage stijfheid
• Elastomeren nog lagere stijfheid
• Elastomeren kunnen zeer sterk uitgerekt worden
• Sterkte per eenheid van gewicht vergelijkbaar met die van metalen
• Lage maximale gebruikstemperatuur
• Sterk temperatuur afhankelijk eigenschappen
▪ Hybride materialen: composieten, schuimen en natuurlijke materialen:
• Combinaties van twee of meer materialen
• Eigenschappen combineren die van de bestanddelen
• Natuurlijke materialen
• Schuimen = polymeren met luchtholtes
Hoofdstuk 2: Elasticiteit
- Elasticiteit verwijst naar de vervormingen die ontstaan ten gevolge van een mechanische belasting,
en die weer verdwijnen wanneer de belasting wordt weggenomen
Meting van elastische eigenschappen:
- Trekproef (Elastisch gebied):
▪ Een proefstuk wordt vastgeklemd en wordt met een steeds toenemende kracht uitgerekt totdat
deze breekt
▪ Nadeel: zeer precieze meetapparatuur verreist
, - Buigproef:
▪ De doorbuiging van een staaf wordt gemeten onder een bepaalde belasting
- De wring- of torsieproef:
▪ Het materiaal wordt op schuifspanningen belast
Verklaren van elastisch gedrag:
Oorzaken van de verschillen in elasticiteit:
❖ Atoomgrootte
❖ Atoomgewicht
❖ Bindingen
❖ Veerconstante
- Keramische materialen en glas:
▪ Zeer stijf omwille van covalente of ionische bindingen
Covalente bindingen:
➢ Atoommodel van Bohr:
▪ Koolstof heeft 4 vrije elektronen die bindingen kunnen aangaan
▪ Elk atoom streeft naar een edelgasconfiguratie met 8 atomen op de buitenste
schil
▪ Koolstof zal dus een zogenaamde “covalente binding” aangaan met zijn vier
buren
➢ Kwantummechanica:
▪ Orbitalen: zones in de ruimte waar bepaalde atomen waarschijnlijk zitten
, Ionische binding:
➢ Al2O3
➢ Aluminium heeft 3 elektronen op de buitenste schil en 8 op de daaronder liggende
schil
➢ Zuurstof heeft 2 elektronen te weinig om de edelgasconfiguratie te behalen
➢ De oplossing bestaat erin dat elk aluminium atoom 3 elektronen afstaat en dat deze
dan worden verdeeld onder de zuurstofatomen
- Metalen:
▪ Metallische binding:
• Metalen hebben 1,2 of 3 elektronen op de buitenste schil door deze vrij te geven bereiken
ze de edelgasconfiguratie
• Er ontstaat een elektronenwolk die de geleidbaarheid van metalen bevordert
- Polymeren:
▪ Organische materialen die bestaan uit zeer lange koolstofketen die met elkaar covalent
gebonden zijn
▪ De ketens zelf zijn wel stijf maar vooral de lengte van de ketens, de complexiteit van de
zijgroepen, de eventuele vertakkingen en de manier waarop ze chemisch met elkaar gebonden
zijn bepalen de elasticiteit
▪ Thermoplasten:
• Lineaire of licht vertakte structuur
• Zwakke bindingskrachten tussen ketens→ lage stijfheid
• Elasticiteit = f(ketenlengte, zijgroepen, verstrengeling, T)
▪ Thermoharders:
• Covalente bindingen (Cross-links) tussen de verschillende polymeerketens → Stijf
• Elasticiteit = f(ketenlengte, zijgroepen, verstrengeling, cross-links, T)
▪ Elastomeren:
• Beperkt aantal cross-links
• Ketens rekken wel uit wanneer ze belast worden → erg veerkrachtkrachtig
• Wanneer de belasting verdwijnt keren ze terug naar de oorspronkelijke vorm
- Composieten:
▪ De eigenschappen van een composietmateriaal wordt bepaal door de samenstellende
bestandsdelen
▪ Vezel versterkte polymeren met continue vezels die allen in dezelfde richting liggen (uni
directionele composieten)
▪ Anisotroop <-> isotroop:
• Bij anisotroop hangt de stijfheid erg af van de richting bij isotroop is het materiaal in elke
richting even stijf
▪ De spanning wordt deels opgenomen door de vezels en deels door de hars
Hoofdstuk 1: Materialen en processen volgens Ashby
Inleiding:
- In de cursus wordt gewerkt met de ontwerp gedreven aanpak in elk hoofdstuk wordt een bepaald
aspect van het materiaalgedrag behandeld
Materiaaleigenschappen:
- Algemene eigenschappen:
▪ Massadichtheid (kg/m3)
▪ Kostprijs
- Mechanische eigenschappen:
▪ Elasticiteit of stijfheid: vermogen om te vervormen als gevolg van een belasting waar bij het
wegnemen van de belasting de vervorming opnieuw verdwijnt
▪ Sterkte: Weerstand die het materiaal biedt tegen permanente vervorming als gevolg van een
belasting
• Vloeispanning (metalen)
▪ Breuktaaiheid: vermogen van een materiaal om onder een belasting niet te breken
- Thermische eigenschappen:
▪ Kruip: Onder belasting van een lage constante belasting kunnen materialen doorbuigen
wanneer de temperatuur verhoogd wordt
▪ Uitzetting: De meeste materialen zetten uit bij een verhoging van de temperatuur
▪ Thermische geleidbaarheid: De snelheid waarmee warmte zich door een materiaal verplaatst
Materialen:
- 4 materiaalfamilies:
▪ Keramische materialen en glassoorten:
• Niet-metallische, anorganische vaste stoffen
• Stijf, hard, goed bestand tegen slijtage
• Goed bestand tegen corrosie
• Meestal goede elektrische isolatoren
• Keramische materialen behouden sterkte tot hoge temperaturen
• Glas kan gesmolten worden bij hoge temperaturen
▪ Metalen en legeringen:
, • Metallische, anorganische vaste stoffen
• Tamelijk hoge stijfheid
• Zuivere metalen zijn zacht
• Sterken door legeren/thermo-mechanische behandeling
• Smelten bij hoge temperatuur
• Vormgeving kan door omvormen/gieten
▪ Polymeren en elastomeren:
• Organische vaste stoffen
• Opgebouwd uit lange ketens van koolstofatomen
• Lagere massadichtheid dan de lichtste metalen
• Polymeren hebben lage stijfheid
• Elastomeren nog lagere stijfheid
• Elastomeren kunnen zeer sterk uitgerekt worden
• Sterkte per eenheid van gewicht vergelijkbaar met die van metalen
• Lage maximale gebruikstemperatuur
• Sterk temperatuur afhankelijk eigenschappen
▪ Hybride materialen: composieten, schuimen en natuurlijke materialen:
• Combinaties van twee of meer materialen
• Eigenschappen combineren die van de bestanddelen
• Natuurlijke materialen
• Schuimen = polymeren met luchtholtes
Hoofdstuk 2: Elasticiteit
- Elasticiteit verwijst naar de vervormingen die ontstaan ten gevolge van een mechanische belasting,
en die weer verdwijnen wanneer de belasting wordt weggenomen
Meting van elastische eigenschappen:
- Trekproef (Elastisch gebied):
▪ Een proefstuk wordt vastgeklemd en wordt met een steeds toenemende kracht uitgerekt totdat
deze breekt
▪ Nadeel: zeer precieze meetapparatuur verreist
, - Buigproef:
▪ De doorbuiging van een staaf wordt gemeten onder een bepaalde belasting
- De wring- of torsieproef:
▪ Het materiaal wordt op schuifspanningen belast
Verklaren van elastisch gedrag:
Oorzaken van de verschillen in elasticiteit:
❖ Atoomgrootte
❖ Atoomgewicht
❖ Bindingen
❖ Veerconstante
- Keramische materialen en glas:
▪ Zeer stijf omwille van covalente of ionische bindingen
Covalente bindingen:
➢ Atoommodel van Bohr:
▪ Koolstof heeft 4 vrije elektronen die bindingen kunnen aangaan
▪ Elk atoom streeft naar een edelgasconfiguratie met 8 atomen op de buitenste
schil
▪ Koolstof zal dus een zogenaamde “covalente binding” aangaan met zijn vier
buren
➢ Kwantummechanica:
▪ Orbitalen: zones in de ruimte waar bepaalde atomen waarschijnlijk zitten
, Ionische binding:
➢ Al2O3
➢ Aluminium heeft 3 elektronen op de buitenste schil en 8 op de daaronder liggende
schil
➢ Zuurstof heeft 2 elektronen te weinig om de edelgasconfiguratie te behalen
➢ De oplossing bestaat erin dat elk aluminium atoom 3 elektronen afstaat en dat deze
dan worden verdeeld onder de zuurstofatomen
- Metalen:
▪ Metallische binding:
• Metalen hebben 1,2 of 3 elektronen op de buitenste schil door deze vrij te geven bereiken
ze de edelgasconfiguratie
• Er ontstaat een elektronenwolk die de geleidbaarheid van metalen bevordert
- Polymeren:
▪ Organische materialen die bestaan uit zeer lange koolstofketen die met elkaar covalent
gebonden zijn
▪ De ketens zelf zijn wel stijf maar vooral de lengte van de ketens, de complexiteit van de
zijgroepen, de eventuele vertakkingen en de manier waarop ze chemisch met elkaar gebonden
zijn bepalen de elasticiteit
▪ Thermoplasten:
• Lineaire of licht vertakte structuur
• Zwakke bindingskrachten tussen ketens→ lage stijfheid
• Elasticiteit = f(ketenlengte, zijgroepen, verstrengeling, T)
▪ Thermoharders:
• Covalente bindingen (Cross-links) tussen de verschillende polymeerketens → Stijf
• Elasticiteit = f(ketenlengte, zijgroepen, verstrengeling, cross-links, T)
▪ Elastomeren:
• Beperkt aantal cross-links
• Ketens rekken wel uit wanneer ze belast worden → erg veerkrachtkrachtig
• Wanneer de belasting verdwijnt keren ze terug naar de oorspronkelijke vorm
- Composieten:
▪ De eigenschappen van een composietmateriaal wordt bepaal door de samenstellende
bestandsdelen
▪ Vezel versterkte polymeren met continue vezels die allen in dezelfde richting liggen (uni
directionele composieten)
▪ Anisotroop <-> isotroop:
• Bij anisotroop hangt de stijfheid erg af van de richting bij isotroop is het materiaal in elke
richting even stijf
▪ De spanning wordt deels opgenomen door de vezels en deels door de hars
