Materialen 2
Eigenschappen van materialen
Mechanische eigenschappen
De mechanische eigenschappen van materialen hebben betrekking op het gedrag van
een materiaal onder invloed van krachten. Dit kunnen trekkrachten, drukkrachten of
afschuifkrachten zijn en afzonderlijk of in combinatie op een materiaal inwerken. Om de
mechanische eigenschappen van een materiaal te beoordelen worden er verschillende
mechanische proeven uitgevoerd waarbij het krachtpatroon zo eenvoudig mogelijk word
gehouden. Geïdialiseerde laboratoriumproeven blijven steeds het beginpunt bij iedere
studie van de mechanische eigenschappen.
Trekproef
Hierbij word op een trekbank een proefstaaf met genormaliseerde afmetingen
onderworpen aan een geleidelijk toenemende trekkracht tot hij breekt. Tijdens de proef
word de verlenging van de staaf en de trekkracht op elk moment gemeten en door een
schrijvend instrument opgeschreven. Het doel is om het trekkrachtverlengingsdiagram
van een materiaal op te stellen waarbij bij het begin van de proef de verlenging van de
staaf rechtevenredig is met de trekkracht, dit is het lineair gedeelte of het
evenredigheidsgebied. Als de proef word onderbroken keert de staaf terug naar zijn
oorspronkelijke lengte, hij is niet blijvend vervormd.
Punt A geeft de evenredigheidsgrens van het
materiaal aan. Voorbij punt A verloopt het diagram
volgens een gebogen lijn, de verlenging neemt
sneller toe dan in gebied 0A. Als de proef in punt C
word onderbroken ontstaat er een geleidelijke
ontlasting die de oorspronkelijke gebogen curve niet
meer volgt, er ontstaat een rechte lijn evenwijdig met
gebied 0A en loopt tot punt D. De staaf behoud een
blijvende verlenging in gebied 0D. In punt B neemt de
trekkracht toe tot een maximale waarde.
Spanning
De spanning (σ) is de kracht (F) gedeeld door het oppervlak (A) waarop de kracht werkt.
Naargelang de aard van de kracht kan je spanning een andere benaming geven:
trekspanning kan een voorwerp doen uitrekken onder invloed van een trekkracht,
drukspanning kan een voorwerp samendrukken of vergruizen onder invloed van een
drukkracht, schuifspanning kan een constructieonderdeel doen splijten onder invloed
van een schuifkracht, torsiespanning kan een voorwerp verwringen onder invloed van
een torsiekracht en buigspanning kan een voorwerp doen buigen onder invloed van een
buigkracht.
,Materialen 2
Rek
De rek (ε) is de verlenging gedeeld door de oorspronkelijke lengte en word uitgedrukt in
een percentage.
Spannings-rekdiagram
Hieruit kunnen we belangrijke materiaaleigenschappen afleiden: de treksterkte (σt) is
het verschil tussen de maximale trekkracht en de oorspronkelijke doorsnede van de
proefstaaf, dit word bij een materiaalkeuze vaak gebruikt als indicatie voor de sterkte
van een materiaal, de elasticiteitsgrens (σe) is spanning waarbij er voor het eerst
plastische deformatie optreed, bij een hogere spanning treed er een blijvende rek op. Dit
is in veel ontwerpsituaties van vaak van groter belang dan de treksterkte omdat de
ontwerper niet wilt dat een constructie-element onder invloed van gebruiksspanning
blijvend uitgerekt of verbogen is, de 0,2%-rekgrens word gebruikt bij spanning waarbij
plastische deformatie inzet omdat het niet exact bepaald kan worden waardoor er een
spanning met een blijvende rek van 0,2% word gebruikt, de elasticiteitsmodules van
young E is het lineair gedeelte waarbij de verhouding van de spanning tot de rek constant
is, het is de maat voor de stijfheid van een materiaal, de breukrek (εbr) word niet
gevonden vanuit het spannings-rekdiagram maar vanuit de gebroken proefstaaf. Het
word gevonden door beide delen van de gebroken proefstaaf weer aan elkaar te passen
en zo de totale meetlengte te bepalen, het is de maat voor de taaiheid van een materiaal
en de insnoering (Ψ) is de verhouding tussen de oorspronkelijke dwarsdoorsnede en de
doorsnede op de plaats waar de proefstaaf is ingesnoerd en gebroken.
Verschil tussen een taai en bros materiaal
Een taai materiaal is een materiaal dat slechts na sterk blijvende vervorming breekt en
een bros materiaal is een materiaal dat al bij geringe blijvende vervorming breekt.
De kerfslagproef
Hierbij geeft de slagvastheid van een materiaal aan in welke mate het bestand is tegen
schokbelasting, het is de energie die nodig is om een volume te doen breken. De meest
gebruikte proef om de weerstand van een materiaal tegen schokbelasting te meten is de
kerfslagproef van Charpy. In het begin van de proef word een slaghamer tot op een
bepaalde hoogte boven de proefstaaf opgetrokken en van daaruit losgelaten, na het
breken zwaait de hamer verder tot een lagere hoogte. Het kerfslaggetal is de slagarbeid
gedeeld door de doorsnede en hoe hoger het getal hoe beter het materiaal bestand is
tegen schokbelasting.
, Materialen 2
De hardheidsproeven
Hierin bestaan er twee soorten de krasproef en de indringingsproef. De krasproef, met
deze proef word de weerstand tegen krassen gemeten. In de hardheidsproef van Mohs
staan 10 standaardmineralen (talk, gips, calciet, fluoriet, apatiet, veldspaat, kwarts,
topaas, korund en diamant) waaraan een hardheid van 1 tem 10 word gegeven. De
indringingsproef, met deze proef word de weerstand tegen blijvende vervorming
gemeten door de indrukking van een stempel die daarbij geen vervorming toont, de
meest gebruikte proeven zijn die van Brinell, Vickers en Rockwell. Deze drie proeven
onderscheiden zich van elkaar in het indringingslichaam, beproevingsbelasting,
meetwaarde en de manier waarop de hardheid tot stand komt.
Kruip
Dit is een verschijnsel waarbij verdere doorgaande vervorming van een materiaal
optreed als gevolg van een aanwezige spanning. Metalen en thermoplasten kunnen
kruip vertonen, rubbers en thermoharders nauwelijks. Door kruip neemt de rek in de
loop van de tijd toe tot een veelvoud van zijn oorspronkelijke waarde.
Invloed van de temperatuur op de mechanische eigenschappen
Dit effect is bij metalen alleen storend bij metaalconstructies die worden gebruikt bij
hoge temperaturen omdat het makkelijk vormbaar word en uiteindelijk smelt. Bij
kunststofconstructies die worden gebruikt bij temperaturen die max enkele tientallen
graden afwijken van de kamertemperatuur word het smeltpunt al rap bereikt. Daarom
mag je geen gegevens over de mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur
gebruiken als het onderdeel bij een andere temperatuur dienst moet doen.
Thermische eigenschappen
Dit is het gedrag van een materiaal ten opzichte van de inwerkende warmte.
Thermische uitzetting
Dit is belangrijk wanneer ongelijksoortige materialen aan opwarming blootstaan terwijl
ze aan elkaar zijn vastgehecht.
Lineair uitzettingscoëfficiënt
Wanneer een vaste stof aan opwarming blootstaat gaat deze in alle richtingen in
dezelfde verhouding uitzetten. Dit word weergegeven door een materiaalconstante die
betrekking heeft op de uitzetting in één dimensie, het lineair uitzettingscoëfficiënt (α).
Uitgaand van het lineair uitzettingscoëfficiënt kan je bij isotrope vaste stoffen de
oppervlaktetoename (ΔS) en volumetoename (ΔV) berekenen als gevolg van een
overeenkomende temperatuurstijging (Δt).
Oppervlaktetoename: ΔS = 2 α S Δt
Volumetoename: ΔV = 3 α S Δt
Eigenschappen van materialen
Mechanische eigenschappen
De mechanische eigenschappen van materialen hebben betrekking op het gedrag van
een materiaal onder invloed van krachten. Dit kunnen trekkrachten, drukkrachten of
afschuifkrachten zijn en afzonderlijk of in combinatie op een materiaal inwerken. Om de
mechanische eigenschappen van een materiaal te beoordelen worden er verschillende
mechanische proeven uitgevoerd waarbij het krachtpatroon zo eenvoudig mogelijk word
gehouden. Geïdialiseerde laboratoriumproeven blijven steeds het beginpunt bij iedere
studie van de mechanische eigenschappen.
Trekproef
Hierbij word op een trekbank een proefstaaf met genormaliseerde afmetingen
onderworpen aan een geleidelijk toenemende trekkracht tot hij breekt. Tijdens de proef
word de verlenging van de staaf en de trekkracht op elk moment gemeten en door een
schrijvend instrument opgeschreven. Het doel is om het trekkrachtverlengingsdiagram
van een materiaal op te stellen waarbij bij het begin van de proef de verlenging van de
staaf rechtevenredig is met de trekkracht, dit is het lineair gedeelte of het
evenredigheidsgebied. Als de proef word onderbroken keert de staaf terug naar zijn
oorspronkelijke lengte, hij is niet blijvend vervormd.
Punt A geeft de evenredigheidsgrens van het
materiaal aan. Voorbij punt A verloopt het diagram
volgens een gebogen lijn, de verlenging neemt
sneller toe dan in gebied 0A. Als de proef in punt C
word onderbroken ontstaat er een geleidelijke
ontlasting die de oorspronkelijke gebogen curve niet
meer volgt, er ontstaat een rechte lijn evenwijdig met
gebied 0A en loopt tot punt D. De staaf behoud een
blijvende verlenging in gebied 0D. In punt B neemt de
trekkracht toe tot een maximale waarde.
Spanning
De spanning (σ) is de kracht (F) gedeeld door het oppervlak (A) waarop de kracht werkt.
Naargelang de aard van de kracht kan je spanning een andere benaming geven:
trekspanning kan een voorwerp doen uitrekken onder invloed van een trekkracht,
drukspanning kan een voorwerp samendrukken of vergruizen onder invloed van een
drukkracht, schuifspanning kan een constructieonderdeel doen splijten onder invloed
van een schuifkracht, torsiespanning kan een voorwerp verwringen onder invloed van
een torsiekracht en buigspanning kan een voorwerp doen buigen onder invloed van een
buigkracht.
,Materialen 2
Rek
De rek (ε) is de verlenging gedeeld door de oorspronkelijke lengte en word uitgedrukt in
een percentage.
Spannings-rekdiagram
Hieruit kunnen we belangrijke materiaaleigenschappen afleiden: de treksterkte (σt) is
het verschil tussen de maximale trekkracht en de oorspronkelijke doorsnede van de
proefstaaf, dit word bij een materiaalkeuze vaak gebruikt als indicatie voor de sterkte
van een materiaal, de elasticiteitsgrens (σe) is spanning waarbij er voor het eerst
plastische deformatie optreed, bij een hogere spanning treed er een blijvende rek op. Dit
is in veel ontwerpsituaties van vaak van groter belang dan de treksterkte omdat de
ontwerper niet wilt dat een constructie-element onder invloed van gebruiksspanning
blijvend uitgerekt of verbogen is, de 0,2%-rekgrens word gebruikt bij spanning waarbij
plastische deformatie inzet omdat het niet exact bepaald kan worden waardoor er een
spanning met een blijvende rek van 0,2% word gebruikt, de elasticiteitsmodules van
young E is het lineair gedeelte waarbij de verhouding van de spanning tot de rek constant
is, het is de maat voor de stijfheid van een materiaal, de breukrek (εbr) word niet
gevonden vanuit het spannings-rekdiagram maar vanuit de gebroken proefstaaf. Het
word gevonden door beide delen van de gebroken proefstaaf weer aan elkaar te passen
en zo de totale meetlengte te bepalen, het is de maat voor de taaiheid van een materiaal
en de insnoering (Ψ) is de verhouding tussen de oorspronkelijke dwarsdoorsnede en de
doorsnede op de plaats waar de proefstaaf is ingesnoerd en gebroken.
Verschil tussen een taai en bros materiaal
Een taai materiaal is een materiaal dat slechts na sterk blijvende vervorming breekt en
een bros materiaal is een materiaal dat al bij geringe blijvende vervorming breekt.
De kerfslagproef
Hierbij geeft de slagvastheid van een materiaal aan in welke mate het bestand is tegen
schokbelasting, het is de energie die nodig is om een volume te doen breken. De meest
gebruikte proef om de weerstand van een materiaal tegen schokbelasting te meten is de
kerfslagproef van Charpy. In het begin van de proef word een slaghamer tot op een
bepaalde hoogte boven de proefstaaf opgetrokken en van daaruit losgelaten, na het
breken zwaait de hamer verder tot een lagere hoogte. Het kerfslaggetal is de slagarbeid
gedeeld door de doorsnede en hoe hoger het getal hoe beter het materiaal bestand is
tegen schokbelasting.
, Materialen 2
De hardheidsproeven
Hierin bestaan er twee soorten de krasproef en de indringingsproef. De krasproef, met
deze proef word de weerstand tegen krassen gemeten. In de hardheidsproef van Mohs
staan 10 standaardmineralen (talk, gips, calciet, fluoriet, apatiet, veldspaat, kwarts,
topaas, korund en diamant) waaraan een hardheid van 1 tem 10 word gegeven. De
indringingsproef, met deze proef word de weerstand tegen blijvende vervorming
gemeten door de indrukking van een stempel die daarbij geen vervorming toont, de
meest gebruikte proeven zijn die van Brinell, Vickers en Rockwell. Deze drie proeven
onderscheiden zich van elkaar in het indringingslichaam, beproevingsbelasting,
meetwaarde en de manier waarop de hardheid tot stand komt.
Kruip
Dit is een verschijnsel waarbij verdere doorgaande vervorming van een materiaal
optreed als gevolg van een aanwezige spanning. Metalen en thermoplasten kunnen
kruip vertonen, rubbers en thermoharders nauwelijks. Door kruip neemt de rek in de
loop van de tijd toe tot een veelvoud van zijn oorspronkelijke waarde.
Invloed van de temperatuur op de mechanische eigenschappen
Dit effect is bij metalen alleen storend bij metaalconstructies die worden gebruikt bij
hoge temperaturen omdat het makkelijk vormbaar word en uiteindelijk smelt. Bij
kunststofconstructies die worden gebruikt bij temperaturen die max enkele tientallen
graden afwijken van de kamertemperatuur word het smeltpunt al rap bereikt. Daarom
mag je geen gegevens over de mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur
gebruiken als het onderdeel bij een andere temperatuur dienst moet doen.
Thermische eigenschappen
Dit is het gedrag van een materiaal ten opzichte van de inwerkende warmte.
Thermische uitzetting
Dit is belangrijk wanneer ongelijksoortige materialen aan opwarming blootstaan terwijl
ze aan elkaar zijn vastgehecht.
Lineair uitzettingscoëfficiënt
Wanneer een vaste stof aan opwarming blootstaat gaat deze in alle richtingen in
dezelfde verhouding uitzetten. Dit word weergegeven door een materiaalconstante die
betrekking heeft op de uitzetting in één dimensie, het lineair uitzettingscoëfficiënt (α).
Uitgaand van het lineair uitzettingscoëfficiënt kan je bij isotrope vaste stoffen de
oppervlaktetoename (ΔS) en volumetoename (ΔV) berekenen als gevolg van een
overeenkomende temperatuurstijging (Δt).
Oppervlaktetoename: ΔS = 2 α S Δt
Volumetoename: ΔV = 3 α S Δt
