Beter begrip staal bevordert kwaliteit vervoersmiddelen

De Titanic was het grootste schip ter wereld. In 1912, tijdens zijn eerste reis, botste het tegen een ijsberg en zonk het binnen drie uur. Ruim 1500 passagiers kwamen om het leven. “Het is de bekendste scheepsramp in de geschiedenis, omdat iedereen dacht dat het niet kon zinken. Maar in die tijd wist men nauwelijks iets over staal”, zegt Jilt Sietsma, hoogleraar Microstructure Control in Metals op de afdeling Materials Science and Engineering. “Alle kennis over staal was destijds gebaseerd op ervaringskennis. Zo gooide een smid een nieuw zwaard in het water om het af te koelen en hield het vervolgens in het vuur om er met een hamer op te slaan en het van vorm te veranderen. Die smid had geen idee van wat zich allemaal in het materiaal afspeelde.”.

Inmiddels weten we niet alleen waarom staal bij hogere temperaturen goed vervormbaar is, maar ook dat het bij lage temperaturen heel bros wordt, waardoor het relatief gemakkelijk kan scheuren. Schepen die tussen ijsschotsen door varen, moeten dus gemaakt zijn van materiaal dat daar tegen kan. “We weten dat staal niet meer bros mag worden bij temperaturen rond het vriespunt, maar hoe we dat precies voor elkaar moeten krijgen, weten we niet”, zegt Marcel Sluiter, Universitair Hoofddocent op dezelfde afdeling als Sietsma. “Dat is één van onze grootste onderzoeksuitdagingen. Kortom, we staan nog middenin het fundamentele onderzoek naar staal”.

Bij de faculteit ME proberen materiaalkundigen de structuur van staal steeds beter te begrijpen. Met structuur bedoelen ze dat ieder atoom zich graag omringt met bepaalde andere atomen. Net als het Atomium in Brussel waar één atoom acht atomen om zich heen heeft; zo’n structuur heet ook wel een kristal. Het Atomium visualiseert de kristalstructuur van ijzer, maar een korreltje keukenzout is net zo goed een kristal. Kristallen zitten ook in staal, alleen zijn die veel kleiner dan in keukenzout en kleven ze keihard aan elkaar vast. Daardoor ervaren we dit materiaal als één stuk.

(Foto: Dochter van de Smid. Foto gemaakt door Richard Alma)

Verwarm je staal, dan hebben de atomen de neiging om een andere structuur aan te nemen. Dit fenomeen heet fase-transformatie. Veel mensen denken hierbij aan de overgang van gas naar vloeistof naar een vaste stof of andersom. Maar binnen een vaste stof komen dit soort fase-transformaties ook voor. Deze zijn belangrijk om te begrijpen, want de structuur van een materiaal bepaalt uiteindelijk alles: hoe sterk het is, hoe goed vervormbaar het is en hoe goed het tegen corrosie kan. Marcel Sluiter bestudeert die structuur op atomaire schaal en Jilt Sietsma doet hetzelfde op micrometer-schaal, een iets grotere schaal dus. Jilt: “Stel dat een materiaal een aantal eigenschappen zou moeten hebben, waaronder een sterkte van 384 Megapascal. Dan moet je eerst bepalen wat de ideale structuur is en vervolgens hoe je die structuur in de praktijk voor elkaar krijgt”.

De grootste paradox in het gebruik van staal is dat het al duizenden jaren gebruikt wordt, onder meer in de bouw, in auto’s en in blikjes van de verpakkingsindustrie, maar dat we er pas in de laatste decennia wat meer van zijn gaan begrijpen. Jilt: “Pas in 1905 werd röntgenstraling ontdekt, waarmee we nu analyseren hoe de materiaalstructuur in elkaar zit. Voor die tijd konden we dus helemaal niet zien uit welke kristallen staal was opgebouwd. We gebruiken staal dus wel makkelijk, maar het begrijpen is een stuk moeilijker”. Toch is in het verbeteren van de eigenschappen van staal veel meer vooruitgang geboekt dan de meeste andere metalen. Een voorbeeld daarvan is de auto: moderne staalsoorten kunnen veel beter de energie bij een botsing absorberen dan vroeger. Kwam je in 1970 in botsing met een auto, dan bood de auto nauwelijks bescherming. Tegenwoordig komt een groot deel van de energie van zo’n botsing niet meer in je lichaam terecht, maar blijft het in de kreukelzone hangen, omdat het huidige staal veel meer vervormingsenergie kan opslaan.

Gelukkig weten Delftse wetenschappers steeds beter wat er gebeurt in staal. Inmiddels durven ze te dromen over wat ze in de toekomst voor elkaar zouden willen krijgen. “We willen bijvoorbeeld begrijpen hoe scheuren ontstaan in treinwissels. Als we dat helemaal zouden snappen, dan zouden we ervoor kunnen zorgen dat wissels nooit meer kapot gaan. Wellicht zouden we dan het gebruik van het openbaar vervoer kunnen bevorderen”, zegt Sietsma. Dat klinkt eenvoudig, maar voor de wissels die de afgelopen veertig jaar in Nederland zijn gelegd, zijn allerlei verschillende staalsoorten gebruikt. Een andere toekomstdroom is nog betere kreukelzones in auto’s, bijvoorbeeld ook voor zijwaartse botsingen. De meest ambitieuze toepassing voor staal is bij kernfusie, ofwel het opwekken van energie. Marcel: “Daar zijn enorme hoge temperaturen en stralingsniveaus. Materialen zijn daar echt de bottleneck, omdat de temperatuur waaraan je ze kan blootstellen beperkt is en nog onbekend is hoe ze de stralingsschade ondergaan”.

Het fundamentele onderzoek naar staal wordt voor een groot deel uitgevoerd in samenwerking met Tata Steel. Jilt: “Als we de fundamentele basis van staal beter kennen en goed kunnen modelleren, kunnen we veel efficiënter nieuwe staalsoorten ontwikkelen en zijn we niet meer afhankelijk van trial and error. Tata Steel vertaalt ons fundamentele werk naar hun researchafdeling en naar toepassingen in hun fabriek, zoals het maken van staal voor auto’s en verpakkingsstaal”. Ook met ProRail doet ME projecten: aangezien alle rails en wissels van staal zijn gemaakt, gaat het onderzoek over waar schade ontstaat, waarom en hoe dat samenhangt met de structuur van staal.

Het liefst zouden de Delftenaren willen dat alle ingenieurs een beter begrip van krijgen van materiaalkunde. Bij voorkeur al vanaf dat ze student zijn. Marcel: “Alles is van materialen gemaakt en elke ingenieur zou daar meer over moeten weten. In de praktijk blijken ze vaak niet in staat om het optimale materiaal te kiezen, bijvoorbeeld voor een spoorwissel, een biomedische toepassing of een brug. Voor al die gebieden heb je andere wensen: in de buitenlucht en in het menselijk lichaam moet het materiaal niet corrosiegevoelig zijn, terwijl staal in een auto een hoge sterkte en een hoge vervormbaarheid moet hebben. Het gaat er bovendien niet alleen om dat je het beste materiaal kiest, maar ook dat het op lange termijn goed blijft. Ingenieurs moeten goed gaan begrijpen dat materiaal uit meer aspecten bestaat dan die ene tabel waarin staat hoe sterk het precies is”.