8SC00 Materiaalkunde Samenvatting boek
Hoofdstuk 1 Introduction
Mechanische eigenschappen
- Elasticiteit en sterkte tension and compression, twisting, shearing and bending
Macro: groter dan 1 mm (kun je vastpakken)
Meso: 1 micrometer (imperfecties in materialen)
Micro: 1 nanometer (atomen en bindingen)
Engineering materialen: worden gebruikt om bruggen en vliegtuigen te gebruiken
Synthetische materialen: biomaterialen
- Polymeren (nylon, siliconen, Teflon, Dacron)
- Metalen (titanium, staal, goud)
- Keramieken (aluminium, carbon)
- Composieten
Biologische materialen (eiwitten, polysachariden, biokeramieken, collageen, zijde)
Monolithische materialen: de hele structuur bestaat uit 1 materiaal
- Hiërarchische en cellulaire materialen of structuren: meerdere niveaus van structuur
Chemische bindingen
- Sterke bindingen:
o Elektrostatische aantrekking: ionen
o Covalente binding
o Metallisch: elektronenzee
- Zwakke bindingen
o Van der waals
o Dipool-dipool
o Waterstofbruggen
- Ionisch: atomen die heel ver uit elkaar zitten in het periodiek systeem. Als ze dicht
bij elkaar zitten, zijn ze polair
Hoofdstuk 2 Mechanical properties
Stress: spanning
Strain: rek
𝐹𝐹
Bij ‘tension’ en ‘compression’ is de oppervlakte altijd loodrecht aan de kracht (𝜎𝜎 = )
𝐴𝐴0
𝐿𝐿
Elongatie factor (stretch): 𝜆𝜆 = = 1 + 𝜀𝜀
𝐿𝐿0
Bij shearing loopt het oppervlakte evenwijdig/ parallel aan de kracht shear spanning
1
, ∆𝐿𝐿
- Verandering in dimensies via de deformatie hoek: 𝛾𝛾 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 =
𝐿𝐿0
Elastische deformatie
- Als het materiaal weer terug gaat naar zijn originele vorm na uitrekking reversibel
- Hooke’s wet: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 (tensie en compressie), 𝜏𝜏 = 𝐺𝐺𝐺𝐺 (shearing) Engineering
spanning
o G en E zijn maten voor de stijfheid van een materiaal: de weerstand voor
elastische deformatie
Poisson ratio: verandering in de dwarsdoorsnede oppervlakte tijdens deformatie
- Voor v=0.5 verandert het volume van het materiaal niet
- Voor v = 0 is het verschil in volume groot
o De bindingen tussen atomen zijn erg sterkt waardoor het niet erg uitgerekt
kan worden
- Voor de meeste materialen geldt: v = 0.2-0.3
Omdat deformatie reversibel is, wordt de energie die nodig is voor de deformatie opgeslagen
in het materiaal dit komt vrij wanneer de kracht weggehaald wordt. De maximale
elastische energie die opgeslagen kan worden is de ‘resilience’ dit wordt bereikt tijdens
‘fracture’ of ‘yield’.
Plastische deformatie: materialen die breken wanneer
ze de limiet van elastische deformatie bereiken
- Chemische bindingen worden gebroken en
worden opnieuw gevormd in een andere positie.
(niet reversibel)
- Het kost meer energie, maar het breekt het
materiaal niet
- Yield: de verandering van de elastische regio tot
de plastische regio
Strain hardening/ work hardening: na plastische deformatie, neemt de spanning nog
steeds toe zodat het materiaal doorgaat om weerstand te houden tegen deformatie
Maximale spanning: tensile strength
- Meestal kan het materiaal hierna nog een klein stukje verder uitrekken totdat het
breekt bij de ‘breekspanning’ en ‘maximale rek’.
De lengte/ oppervlak van het materiaal na de breuk wordt gebruikt om de ‘ductiliy’ te
berekenen
De oppervlakte onder de spanning-rek grafiek is de energie per m3 totale energie die
nodig is om het materiaal te breken taaiheid/ toughness
Soorten breuken
- Brosse breuken: snel proces aan het einde van de elastische regio
- Ductile breuk: langzaam proces dat ‘necking’ omvat bij de tensile spanning en
plastische deformatie
Stijve materialen hebben een hoge richtingscoëfficient in de elastische regio (hoge E),
terwijl flexibele of compliant materialen een lage E hebben
2
, Brosse materialen hebben een hoge weerstand tegen plastische
deformatie (hoge yield spanning), terwijl ductile materialen
makkelijk gedeformeerd kunnen worden (lage yield spanning)
Sterke materialen heben een hoge tensile spanning, terwijl
zwakke materialen een lage tensile spanning hebben.
Een taai materiaal kan veel energie absorberen voordat het
breekt (groot oppervlak onder de grafiek) het kan meestal veel
gedeformeerd worden (hoge maximale rek). Als het oppervlak
klein is, is het materiaal bros.
Hardheid van een materiaal: weerstand tegen lokale plastische deformatie (empirisch)
True stress: spanning waarbij meegenomen is dat het oppervlak meestal kleiner wordt
tijdens deformatie
Bij de maximale engineering spanning: ‘necking’ hierna wordt het oppervlak heel snel
kleiner. De true spanning stijgt na dit punt nog steeds, maar omdat het oppervlak sneller
daalt dan dat de true spanning stijgt, gaat de engineering spanning
naar beneden.
Engineering rek loopt van -1 tot +∞
True rek loopt van –∞ tot +∞
- Voor kleine waardes zijn de engineering rek en de true rek
gelijk
Fases tijdens rekproef
- Elastische regio: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 en 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐸𝐸𝜀𝜀𝑡𝑡 tot yield: 𝜀𝜀 = 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝜀𝜀𝑌𝑌
- Plastische regio: relatie tussen true spanning en true rek: 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝 𝜀𝜀𝑡𝑡 𝑁𝑁
o N is de strain hardening exponent
o Necking bij: 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝑁𝑁
- Na de necking, stijgt de true spanning, maar dit is moeilijk te beschrijven omdat de
necking heel snel gebeurt en dit leidt tot een ductile breuk.
Hoofdstuk 3 Bonds between atoms: microscopic structure and elastic modulus
Alle bindingen hebben
- aantrekking tussen atomen door de chemische
binding dit verlaagt de energie
- afstoting tussen atomen door de afstoting tussen
positief geladen kernen voorkomt dat atomen te
dicht bij elkaar komen
o De energie die hiervoor gebruikt is de
bindingsenergie (U)
o A en m representeren de aantrekking
o B en n representeren de afstoting
2 atomen hebben een stabiele binding bij de afstand waarop de energie (U) minimaal is:
dU/dR = 0 dit leidt tot een interatomische afstand
3
Hoofdstuk 1 Introduction
Mechanische eigenschappen
- Elasticiteit en sterkte tension and compression, twisting, shearing and bending
Macro: groter dan 1 mm (kun je vastpakken)
Meso: 1 micrometer (imperfecties in materialen)
Micro: 1 nanometer (atomen en bindingen)
Engineering materialen: worden gebruikt om bruggen en vliegtuigen te gebruiken
Synthetische materialen: biomaterialen
- Polymeren (nylon, siliconen, Teflon, Dacron)
- Metalen (titanium, staal, goud)
- Keramieken (aluminium, carbon)
- Composieten
Biologische materialen (eiwitten, polysachariden, biokeramieken, collageen, zijde)
Monolithische materialen: de hele structuur bestaat uit 1 materiaal
- Hiërarchische en cellulaire materialen of structuren: meerdere niveaus van structuur
Chemische bindingen
- Sterke bindingen:
o Elektrostatische aantrekking: ionen
o Covalente binding
o Metallisch: elektronenzee
- Zwakke bindingen
o Van der waals
o Dipool-dipool
o Waterstofbruggen
- Ionisch: atomen die heel ver uit elkaar zitten in het periodiek systeem. Als ze dicht
bij elkaar zitten, zijn ze polair
Hoofdstuk 2 Mechanical properties
Stress: spanning
Strain: rek
𝐹𝐹
Bij ‘tension’ en ‘compression’ is de oppervlakte altijd loodrecht aan de kracht (𝜎𝜎 = )
𝐴𝐴0
𝐿𝐿
Elongatie factor (stretch): 𝜆𝜆 = = 1 + 𝜀𝜀
𝐿𝐿0
Bij shearing loopt het oppervlakte evenwijdig/ parallel aan de kracht shear spanning
1
, ∆𝐿𝐿
- Verandering in dimensies via de deformatie hoek: 𝛾𝛾 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 =
𝐿𝐿0
Elastische deformatie
- Als het materiaal weer terug gaat naar zijn originele vorm na uitrekking reversibel
- Hooke’s wet: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 (tensie en compressie), 𝜏𝜏 = 𝐺𝐺𝐺𝐺 (shearing) Engineering
spanning
o G en E zijn maten voor de stijfheid van een materiaal: de weerstand voor
elastische deformatie
Poisson ratio: verandering in de dwarsdoorsnede oppervlakte tijdens deformatie
- Voor v=0.5 verandert het volume van het materiaal niet
- Voor v = 0 is het verschil in volume groot
o De bindingen tussen atomen zijn erg sterkt waardoor het niet erg uitgerekt
kan worden
- Voor de meeste materialen geldt: v = 0.2-0.3
Omdat deformatie reversibel is, wordt de energie die nodig is voor de deformatie opgeslagen
in het materiaal dit komt vrij wanneer de kracht weggehaald wordt. De maximale
elastische energie die opgeslagen kan worden is de ‘resilience’ dit wordt bereikt tijdens
‘fracture’ of ‘yield’.
Plastische deformatie: materialen die breken wanneer
ze de limiet van elastische deformatie bereiken
- Chemische bindingen worden gebroken en
worden opnieuw gevormd in een andere positie.
(niet reversibel)
- Het kost meer energie, maar het breekt het
materiaal niet
- Yield: de verandering van de elastische regio tot
de plastische regio
Strain hardening/ work hardening: na plastische deformatie, neemt de spanning nog
steeds toe zodat het materiaal doorgaat om weerstand te houden tegen deformatie
Maximale spanning: tensile strength
- Meestal kan het materiaal hierna nog een klein stukje verder uitrekken totdat het
breekt bij de ‘breekspanning’ en ‘maximale rek’.
De lengte/ oppervlak van het materiaal na de breuk wordt gebruikt om de ‘ductiliy’ te
berekenen
De oppervlakte onder de spanning-rek grafiek is de energie per m3 totale energie die
nodig is om het materiaal te breken taaiheid/ toughness
Soorten breuken
- Brosse breuken: snel proces aan het einde van de elastische regio
- Ductile breuk: langzaam proces dat ‘necking’ omvat bij de tensile spanning en
plastische deformatie
Stijve materialen hebben een hoge richtingscoëfficient in de elastische regio (hoge E),
terwijl flexibele of compliant materialen een lage E hebben
2
, Brosse materialen hebben een hoge weerstand tegen plastische
deformatie (hoge yield spanning), terwijl ductile materialen
makkelijk gedeformeerd kunnen worden (lage yield spanning)
Sterke materialen heben een hoge tensile spanning, terwijl
zwakke materialen een lage tensile spanning hebben.
Een taai materiaal kan veel energie absorberen voordat het
breekt (groot oppervlak onder de grafiek) het kan meestal veel
gedeformeerd worden (hoge maximale rek). Als het oppervlak
klein is, is het materiaal bros.
Hardheid van een materiaal: weerstand tegen lokale plastische deformatie (empirisch)
True stress: spanning waarbij meegenomen is dat het oppervlak meestal kleiner wordt
tijdens deformatie
Bij de maximale engineering spanning: ‘necking’ hierna wordt het oppervlak heel snel
kleiner. De true spanning stijgt na dit punt nog steeds, maar omdat het oppervlak sneller
daalt dan dat de true spanning stijgt, gaat de engineering spanning
naar beneden.
Engineering rek loopt van -1 tot +∞
True rek loopt van –∞ tot +∞
- Voor kleine waardes zijn de engineering rek en de true rek
gelijk
Fases tijdens rekproef
- Elastische regio: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 en 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐸𝐸𝜀𝜀𝑡𝑡 tot yield: 𝜀𝜀 = 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝜀𝜀𝑌𝑌
- Plastische regio: relatie tussen true spanning en true rek: 𝜎𝜎𝑡𝑡 = 𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝 𝜀𝜀𝑡𝑡 𝑁𝑁
o N is de strain hardening exponent
o Necking bij: 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝑁𝑁
- Na de necking, stijgt de true spanning, maar dit is moeilijk te beschrijven omdat de
necking heel snel gebeurt en dit leidt tot een ductile breuk.
Hoofdstuk 3 Bonds between atoms: microscopic structure and elastic modulus
Alle bindingen hebben
- aantrekking tussen atomen door de chemische
binding dit verlaagt de energie
- afstoting tussen atomen door de afstoting tussen
positief geladen kernen voorkomt dat atomen te
dicht bij elkaar komen
o De energie die hiervoor gebruikt is de
bindingsenergie (U)
o A en m representeren de aantrekking
o B en n representeren de afstoting
2 atomen hebben een stabiele binding bij de afstand waarop de energie (U) minimaal is:
dU/dR = 0 dit leidt tot een interatomische afstand
3
