Summary
Samenvatting Uitwerkingen Colleges Materiaalkunde 8Sc00
- Course
- Institution
Uitwerkingen van de colleges Materiaalkunde op basis het dictaat van het studiejaar in het Nederlands
[Show more]
Seller
Follow
BMTstudentTUe
Reviews received
Content preview
Uitwerkingen colleges: Materiaalkunde 8SC00 DYWCollege 1: H1 & H2
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen synthetische en natuurlijke materialen. De
overeenkomsten zijn dat ze allemaal dezelfde eigenschappen hebben in relatie tot hun
structuur.
- Natuurlijke materialen (soms ook wel biologische materialen genoemd): hebben een
hele beperkte set van bouwstenen, dit maakt ze minder sterk en stijf. Verder hebben
ze een lagere dichtheid en zijn vrijwel allemaal composieten. Ze hebben een
geoptimaliseerde constructie (door evolutie), ook voor functie.
• Eiwitten, polysachariden, biokeramieken en composieten.
- Synthetische materialen (soms ook wel engineering materialen genoemd): zijn vaak
sterker en stijver dan natuurlijke materialen, maar hebben vaak een hogere dichtheid.
• Metalen, keramieken, polymeren en composieten.
- Biomaterialen: materialen die in de mens kunnen toegepast worden. Dit kunnen zoel
engineering als gemodificeerde biologische materialen zijn.
Verschillende soorten materialen:
- Monolithisch / simpel: materialen die overal dezelfde samenstelling hebben.
- Hiërarchisch: heeft op verschillende lengteschalen een verschillende opbouw. Dit
leidt tot bijzondere eigenschappen, die simpele materialen niet hebben, maar de
eigenschapsrelatie voorspellen is wel lastig.
- Cellulaire: materialen die uit kleine blaasjes bestaat, een gedeelte van het materiaal
is leeg.
- Composiet: als je verschillende materialen met elkaar combineert. De eigenschappen
van bepaalde materialen veranderen de eigenschappen van het totale materiaal.
Typische chemische binding:
- Sterk: die losse atomen aan elkaar binden tot moleculen.
• Elektrostatische / ionische aantrekking: te vinden tussen ionen. Het is een
sterke binding die richtingsafhankelijk is.
• Covalente bindingen: als twee (dezelfde) atomen een binding aangaan. Het
is een zeer sterke binding met een vaste bindingsrichting.
• Metallisch: bij het bekijken van pure metalen, waardoor de valentie-elektronen
gecombineerd worden, elektronen zee. Het is een vrije sterke binding en
isotroop.
- Zwak / secundair: zijn in staat atomen aan elkaar te binden die geen covalente
bindingen meer kunnen vormen of interacties tussen gemaakte moleculen.
• Van der Waals: is altijd aanwezig.
• Dipool-dipool: als het molecuul polair is, zwakke elektrostatische interacties
tussen dipolen. Dit is een wat sterkere interactie.
• Waterstofbruggen: NH of OH in een molecuul, extra sterke variant van een
dipool-dipool.
Er is een groot verschil in samenstelling en dus de eigenschappen tussen het oppervlakte
van een materiaal en zijn bulk (de gemiddelde samenstelling van een materiaal). De
interactie tussen biomaterialen en biologische materialen vindt plaats op het oppervlakte.
3M-concept:
- Microscopische structuren: opbouw in termen van atomen en moleculen (in
nanometers, 10−9 m).
1
,Uitwerkingen colleges: Materiaalkunde 8SC00 DYW
- Mesostructuren: tussen atomen en het object wat je vasthoudt, in de orde van
micrometer (10−6 m), waarop structuren voorkomen die grote invloed hebben op het
macroscopisch gedrag. Imperfecties kunnen weergegeven worden.
- Macrostructuren: object wat je kunt vastpakken (tussen de millimeter en de meter).
Mechanische eigenschappen:
- Stress / Spanning (𝜎𝜎), tensile / rek: kracht per
𝐹𝐹
oppervlakte eenheid. 𝜎𝜎 = in [𝑃𝑃𝑃𝑃], waarbij 𝐴𝐴0 het
𝐴𝐴0
originele oppervlak loodrecht op 𝐹𝐹 is en waarbij 𝐹𝐹 dus
evenwijdig staat aan de langste afmeting (voor
trekkrachten en drukkrachten).
• Compressiekrachten / druk: hebben een
minteken (< 0, in één richting).
Δ𝐿𝐿
- Strain / Rek (𝜖𝜖): lengteverandering 𝜖𝜖 = is dimensie loos.
𝐿𝐿0
• Als het materiaal 2x zo lang geworden is, dan is de rek dus 1.
𝐿𝐿
• Elongatiefactor: 𝜆𝜆 = = 1 + 𝜖𝜖 en dus 𝐿𝐿 = 𝐿𝐿0 (1 + 𝜖𝜖).
𝐿𝐿0
𝐹𝐹
- Shear / Schuif (𝜏𝜏): 𝜏𝜏 = , met 𝐴𝐴0 het oppervlak
𝐴𝐴0
parallel tot de kracht 𝐹𝐹 die hierop werkt. De
krachtvectoren zijn niet in elkaars verlengde, waardoor
het object gaat vervormen (afschuiven).
Δ𝐿𝐿
• Vervormingshoek 𝛾𝛾 geeft strain 𝛾𝛾 ≈ tan(𝛾𝛾) = , met 𝛾𝛾 in radialen, met 𝐿𝐿0 is
𝐿𝐿0
loodrecht tot Δ𝐿𝐿.
De hoek moet klein zijn, dit hangt af van de meet afwijking / foutmarge.
Elastisch gedag (wet van Hooke): er is een lineair verband tussen de vervorming en de
kracht, ook wel tussen de spanning en rek. Dit is reversibel gedrag, het gaat altijd weer terug
naar de begintoestand na het verwijderen van de kracht.
- 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 en 𝜏𝜏 = 𝐺𝐺𝐺𝐺, met materiaal constanten:
• 𝐸𝐸: Young’s modulus (𝑃𝑃𝑃𝑃), stijfheid bij rek of druk.
• 𝐺𝐺: afschuifmodulus (𝑃𝑃𝑃𝑃), stijfheid bij afschuiven.
Poisson ratio (𝜈𝜈): de meting voor de verandering van het
oppervlak gedurende deformatie. Het geeft de verhouding aan
tussen de rekken en geeft aan hoe de dwarsdoorsnede
verandert. Uitrekken leidt vaak tot kleiner worden
dwarsdoorsnede. Het is vaak constant.
- Voor isotope materialen, hetzelfde in alle richtingen: 𝜖𝜖𝑥𝑥 = 𝜖𝜖𝑦𝑦 = −𝜈𝜈𝜖𝜖𝑧𝑧 .
- Volume: 𝑉𝑉 = 𝐿𝐿𝑥𝑥 𝐿𝐿𝑦𝑦 𝐿𝐿𝑧𝑧 = 𝑉𝑉0 (1 + 𝜖𝜖𝑥𝑥 )�1 + 𝜖𝜖𝑦𝑦 �(1 + 𝜖𝜖𝑧𝑧 ) = 𝑉𝑉0 (1 − 𝜈𝜈𝜖𝜖𝑧𝑧 )2 (1 + 𝜖𝜖𝑧𝑧 ).
• 1e orde benadering: 𝑉𝑉 = 𝑉𝑉0 �1 + 𝜖𝜖𝑧𝑧 (1 − 2𝜈𝜈)�, dus voor 𝜈𝜈 = 0,5 nodig. Alleen
zeer elastische materialen voldoen hieraan.
- Als 𝜈𝜈 = 0: uitrekken zonder dat dwarsdoorsnede kleiner wordt. Dit kan alleen bij een
zeer stijf materiaal, dat je niet ver kunt uitrekken (𝑉𝑉 neemt toe).
- De meeste materialen: 𝜈𝜈 = 0,2 − 0,3.
𝐸𝐸
- Relatie: 𝐺𝐺 = .
2+2𝜈𝜈
2
,Uitwerkingen colleges: Materiaalkunde 8SC00 DYW
Verschillend gedrag van materialen kan weer gegeven worden bij het uitzetten van de
spanning tegen de rek.
- A: Materiaal wat de wet van Hooke volgt is een rechte
lijn en de helling hiervan is de Young’s modulus.
• Brosse breuk: na het belasten van een materiaal
breekt deze “plotseling”, maar de losse stukken
kunnen wel nog op elkaar geplaatst worden. Alle
atomen geven het tegelijk op, maar verplaatsen
niet van plek. Er heeft nog geen plastische
vervorming plaats gevonden.
Typisch bij keramieken.
- B: Het materiaal kan overgang vertonen van elastisch naar plastisch gebied, dit wordt
yield (in het Nederlands vloei) genoemd. Er vindt een permanente vervorming plaats.
Het is geen rechte lijn meer. Hierna kan het zijn dat het materiaal breekt, maar kan ook
nog een hele tijd uitgerekt worden.
• Taaie breuk: als het materiaal vervormd wordt en het breekt. Het materiaal is
heel sterk van vorm en verandert voordat het breekt.
C: Als er een hele duidelijke grote vervorming in het midden plaats
gevonden heeft, dan wordt dit insnoering / necking genoemd.
- D: Elastisch gedrag, typisch bij rubber.
Stress-strain curve:
- Elastische deformatie: de curve begint met elastisch
gedrag dat gekarakteriseerd wordt door een rechte lijn.
• Het gebied onder deze lijn is de elastische energie
die nodig is om 1 𝑚𝑚3 van het materiaal te
𝜎𝜎𝜎𝜎 𝐸𝐸𝜖𝜖2 𝜎𝜎 2
deformeren tot een rek 𝜖𝜖): 𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒 = = = in
2 2 2𝐸𝐸
1 𝜎𝜎𝑌𝑌2
[𝑃𝑃𝑃𝑃], (= [𝑁𝑁/𝑚𝑚2 ] = [𝐽𝐽/𝑚𝑚3 ]) of 𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝜎𝜎𝑌𝑌 𝜖𝜖𝑌𝑌 = .
2 2𝐸𝐸
De maximale elastische energie is de resilience (veerkracht).
Ook wel een maat voor reversibele energieopslag.
- Plastische deformatie: een permanente deformatie, gaat niet weg als de kracht
verwijdert wordt. Chemische bindingen zijn verbroken en opnieuw gemaakt in het
materiaal. Dit kost meer energie en is niet reversibel.
• Yield punt: de overgang van elastisch naar plastisch gebied.
• Hierbij hoort dus een yield strength / yield stress (𝜎𝜎𝑌𝑌 ) en een yield strain
(𝜖𝜖𝑌𝑌 ).
Stress is hetgeen wat aan de buitenkant toegepast wordt, de materiaal
eigenschap is de strength.
- Bij een bepaalde rek is de maximale stress bereikt (tensile
stress, 𝜎𝜎𝑇𝑇 ).
• Er ontstaat vaak insnoering.
- Het materiaal breekt, de maximale rek (𝜖𝜖𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ).
- Ductility: lengteverandering na een breuk, kan eventueel
een krimping zijn (door recovery).
𝐿𝐿𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 −𝐿𝐿0
• , vaak gegeven in percentage dus dan nog vermenigvuldigen met 100.
𝐿𝐿0
Kan ook berekend worden voor het oppervlak.
- Taaiheid (toughness): totale oppervlak onder stress-strain curve = opgenomen
energie voor breuk.
3
, Uitwerkingen colleges: Materiaalkunde 8SC00 DYW
Reversibiliteit van stress-strain curve:
- A: totaal (elastisch).
- B: deels (elastisch – plastisch).
- C: niet (plastisch).
- D: met hysterese (tijdsafhankelijk: visco-elastisch).
Mechanische eigenschappen:
- Stijve materialen hebben een hoge helling in het
elastische gebied (hoge 𝐸𝐸), terwijl flexibele,
meegevende of buigzame materialen ene lagere 𝐸𝐸
hebben.
- Brosse materialen hebben een hoge weerstand
tegen plastische vervorming (hoge 𝜎𝜎𝑌𝑌 ), terwijl
ductiele materialen gemakkelijk kunnen worden
vervorm (lage 𝜎𝜎𝑌𝑌 ).
- Sterke materialen hebben een hoge treksterkte (𝜎𝜎𝑇𝑇 ), terwijl zwakke materialen een
lage 𝜎𝜎𝑇𝑇 hebben.
• Sommige mensen noemen een materiaal zwak als het rendement vertoont bij
lage spanningen (lage 𝜎𝜎𝑌𝑌 ).
• Als het materiaal geen yield vertoont, dan wordt de sterkte bepaald bij het einde
van het elastische gebied.
- Taaie materialen kunnen veel energie absorberen voordat ze breken en hebben dus
een groot oppervlakte onder de curve. Het kan meestal veel worden vervormd (hoge
𝜖𝜖𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ). Als het gebied onder de curve klein is, dan is het materiaal bros.
College 2: H2, H3 & H4
In werkelijkheid verandert niet alleen de lengte tijdens een rekproef, maar ook de
dwarsdoorsnede.
𝐹𝐹 𝐴𝐴0
- De ware spanning / true stress: 𝜎𝜎𝑡𝑡 = , 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝜎𝜎(1 + 𝜖𝜖 ) = 𝜎𝜎 .
𝐴𝐴 𝐴𝐴
𝐹𝐹
• De oorspronkelijke definitie: engineering spanning / stress (𝜎𝜎 = ).
𝐴𝐴0
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿
- De ware rek / true strain: 𝜖𝜖𝑡𝑡 = ∫ = ln ( ) = ln (1 + 𝜖𝜖).
𝐿𝐿 𝐿𝐿0
• Dus 𝜖𝜖 = exp(𝜖𝜖𝑡𝑡 ) − 1.
𝜖𝜖 loopt van −1 tot +∞.
𝜖𝜖𝑡𝑡 loopt van −∞ tot +∞.
• Bij een kleine 𝜖𝜖 geldt 𝜖𝜖 ≈ 𝜖𝜖𝑡𝑡 .
𝐴𝐴0 𝐿𝐿0 𝐴𝐴0 𝐿𝐿0 𝐴𝐴0 𝐴𝐴0
Aanname dat 𝑉𝑉 constant is (maar dit is niet altijd): 𝐴𝐴 = = = , dan 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝜎𝜎 =
𝐿𝐿 𝐿𝐿0 +Δ𝐿𝐿 1+𝜖𝜖 𝐴𝐴
𝜎𝜎(1 + 𝜖𝜖 ) = 𝜎𝜎 exp(𝜖𝜖𝑡𝑡 ).
- Voorspelt dat de ware spanning groter is dan de engineering spanning.
- Elastisch: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 en 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐸𝐸𝜖𝜖𝑡𝑡 want kleine 𝜖𝜖, bijna geen verschil.
𝐸𝐸 ln(1+𝜖𝜖)
- Stel dat een materiaal altijd verdoet aan 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐸𝐸𝜖𝜖𝑡𝑡 dan 𝜎𝜎 = .
1+𝜖𝜖
• Als je deze uitzet, dan gaat de grafiek (𝜎𝜎 vs. 𝜖𝜖) een maximum vertonen, dit is
een artefact.
4
The benefits of buying summaries with Stuvia:
Guaranteed quality through customer reviews
Stuvia customers have reviewed more than 700,000 summaries. This how you know that you are buying the best documents.
Quick and easy check-out
You can quickly pay through credit card or Stuvia-credit for the summaries. There is no membership needed.
Focus on what matters
Your fellow students write the study notes themselves, which is why the documents are always reliable and up-to-date. This ensures you quickly get to the core!
Frequently asked questions
What do I get when I buy this document?
You get a PDF, available immediately after your purchase. The purchased document is accessible anytime, anywhere and indefinitely through your profile.
Satisfaction guarantee: how does it work?
Our satisfaction guarantee ensures that you always find a study document that suits you well. You fill out a form, and our customer service team takes care of the rest.
Who am I buying these notes from?
Stuvia is a marketplace, so you are not buying this document from us, but from seller BMTstudentTUe. Stuvia facilitates payment to the seller.
Will I be stuck with a subscription?
No, you only buy these notes for $10.18. You're not tied to anything after your purchase.
Can Stuvia be trusted?
4.6 stars on Google & Trustpilot (+1000 reviews)
52510 documents were sold in the last 30 days
Founded in 2010, the go-to place to buy study notes for 14 years now