Waarom buigen sommige staalsoorten en breken andere? Het geheim ligt in hun kristalstructuren. Dit artikel onderzoekt de fascinerende verschillen tussen austenitisch, ferritisch, cementiet en martensitisch staal. Je zult ontdekken hoe hun unieke atomaire rangschikkingen hun sterkte, flexibiliteit en hardheid beïnvloeden en inzichten bieden die je begrip van materiaalkunde en engineering kunnen veranderen. Bereid je voor op een duik in de microscopische wereld die vorm geeft aan de gereedschappen en structuren waar we elke dag op vertrouwen.
Vaste stoffen in de natuur kunnen worden ingedeeld in twee categorieën: kristallijn en amorf.
Een kristal is een vaste stof met een regelmatige geometrische vorm die gevormd wordt door het kristallisatieproces. In een kristal worden atomen of moleculen periodiek en herhaaldelijk gerangschikt in de ruimte volgens een bepaalde regel.
Een amorfe vaste stof daarentegen is een kristal met atomen of moleculen die onregelmatig gerangschikt zijn, zonder periodiciteit of symmetrie. Glas is een voorbeeld van een amorfe vaste stof.
Vaste metalen en legeringen zijn meestal kristallen. De kristalstructuur van metalen en legeringen is een van de fundamentele factoren die hun fysische, chemische en mechanische eigenschappen bepalen.
IJzer en staal zijn gelegeerde systemen met ijzer en koolstof als basiselementen.
Gerelateerde lectuur: Staal vs IJzer
Binnen het Fe-C systeem, wanneer de koolstofgehalte lager is dan 0,02%, wordt het materiaal geclassificeerd als puur ijzer. Als het koolstofgehalte hoger is dan 2,0%, wordt het ruwijzer genoemd, terwijl het bereik tussen deze twee grenzen wordt geclassificeerd als staal.
Zuiver ijzer, of smeedijzer, wordt gekenmerkt door vier kristalstructuren: α, β, γ en δ. Drie van deze structuren, namelijk α, β en δ, hebben een kubische centrumstructuur, terwijl de vierde, c, een kubische centrumstructuur heeft.
Zuiver elementair ijzer kristalliseert bij 1538 ℃ en vormt een kubische kernstructuur die δ-ijzer wordt genoemd. Als het afkoelt tot 1394 ℃, verandert het in een kubische gezichtsgecentreerde structuur die bekend staat als γ-ijzer. Verder afkoelen tot 912 ℃ resulteert in de vorming van een kubische kernstructuur die bekend staat als α-ijzer.
Staal heeft vier hoofdfasen: austenietferriet, cementiet en martensiet.
Gerelateerde lectuur: Gietijzer vs Smeedijzer
Austeniet is een koolstof interstitiële verbinding in γ-Fe. De verhouding tussen Fe-atomen en C-atomen is 27:1, wat betekent dat er maar één C-atoom aanwezig is in elke 6-7 kubieke gezichtsgecentreerde cellen. De concentratie koolstof opgelost in γ-Fe is 2,11% bij 1148℃ en 0,77% bij 727℃.
De kenmerken van austeniet zijn dat het sterkte en hardheid hoger dan bij ferriet, terwijl de plasticiteit en taaiheid beter zijn. Bovendien is de korrel polygonaal van vorm en is de korrelgrens rechter dan bij ferriet.
Ferriet is een vaste oplossing van koolstof in α-Fe, met een koolstofgehalte dat met ongeveer 0,02% dicht bij zuiver ijzer ligt.
Ferriet heeft kenmerken die lijken op die van puur ijzer, zoals een lage sterkte en hardheid en een goede plasticiteit en taaiheid. De microstructuur wordt gekenmerkt door heldere veelhoekige korrels.
Cementiet is een verbinding die bestaat uit ijzer en koolstof in een verhouding van 3:1, bekend als Fe3C. Het behoort tot het orthogonale kristalsysteem en heeft een complexe kristalstructuur. Elke cel van cementiet bestaat uit 12 Fe-atomen en 4 C-atomen.
De kenmerken van cementiet zijn onder andere hoge hardheid, slechte plasticiteit en taaiheid. De waarden van δ en Akk liggen dicht bij nul en het vertoont een grote brosheid.
Wanneer austenitisch staal wordt afgeschrikt tot een temperatuur onder 150 °C, verandert het in martensietdie extreem hard is. Martensiet kan worden beschouwd als een oververzadigde vaste oplossing bestaande uit 1,6% koolstof in α-Fe, en het heeft een tetragonale kristalstructuur.
Er zijn twee soorten martensiet: martensiet met een hoog koolstofgehalte (lamellenmartensiet) en martensiet met een laag koolstofgehalte (lamellenmartensiet).
Martensiet wordt gekenmerkt door hard en bros zijn, een slechte taaiheid, grote inwendige spanningen gevoelig zijn voor barsten.
De stabiliteit van de vier fasen varieert. Ferriet en cementiet zijn stabiele kristalvormen bij kamertemperatuur, terwijl austeniet stabiel is bij hoge temperaturen.
Wanneer koolstofstaal wordt afgeschrikt, verkrijgt het voornamelijk martensiet, wat een onstabiele kristalvorm is. Legeringsstalen met verschillende samenstellingen zoals Mn, Ni en Cr kunnen voor verschillende doeleinden worden gemaakt.
Niet-onderzoekers in de roestvaststaalindustrie worden voornamelijk blootgesteld aan austeniet, ferriet en martensiet, waarbij cementiet minder vaak voorkomt.
Roestvrij staal is een typische legering met speciale eigenschappen die worden verkregen door legeringscomponenten toe te voegen aan de basisfase.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO