Materialen 2
DEEL 1: EIGENSCHAPPEN VAN MATERIALEN
1. INLEIDING – OVERZICHT MATERIAALEIGENSCHAPPEN
Materialen worden gekozen op basis van hun eigenschappen
- Bij elk materiaal verschillend
- Eigenschappen die bij ene materialen van toepassing zijn, bij andere materialen soms niet
relevant
- Ontwerper moet op basis van deze eigenschappen een geschikte materiaalkeuze maken
Materiaalklassen
- Metalen
- Kunststoffen
- Keramische materialen
- Composieten
Soorten eigenschappen
- Chemische eigenschappen: samenstelling, ontvlambaarheid, corrosievastheid…
- Fysische eigenschappen: thermische eigenschappen, elektrische eigenschappen…
- Mechanische eigenschappen: rekeigenschappen, breuktaaiheid, drukvastheid…
- Producttechnische eigenschappen: maatvastheid, vormbaarheid, verkrijgbaarheid…
, 2. BESPREKING ENKELE MATERIAALEIGENSCHAPPEN
2.1. Mechanische eigenschappen
= zeggen iets over het gedrag van materialen onder invloed van krachten
- Trekkrachten, drukkrachten, afschuifkrachten… alleen of in combinatie op materiaal
uitgeoefend
o Krachtenpatroon kan ingewikkeld zijn
Wanneer krachten worden gemeten in labo’s
- Proeven bewust zeer eenvoudig
- Maar 1 kracht tegelijk gemeten
o Daardoor soms niet bruikbaar in realiteit wanneer meer krachten op materiaal inwerken)
De trekproef
= op een trekbank wordt een proefstaaf met genormaliseerde afmetingen onderworpen aan een
gelijkelijk toenemende trekkracht tot de proefstaaf breekt.
Tijdens proef 2 eenheden geregistreerd:
- Verlenging van de staaf onder invloed van de kracht (∆L)
- Trekkracht nodig om de verlenging te doen ontstaan (F)
à van deze registratie kan trekkracht-verlengingsdiagram worden opgesteld
In begin: trekkracht & verlenging recht evenredig (rechte lijn
van O naar A) à evenredigheidsgebied
Binnen dit gebied keer staaf nog terug naar
oorspronkelijke vorm als proef wordt onderbroken à
materiaal wordt niet blijvend vervormd
A = evenredigheidsgrens van het materiaal
Boog van A naar C: verlenging neemt sneller toe dan in lijnstuk OA
Indien proef in punt C wordt onderbroken: bij afnemen van kracht treedt blijvende vervorming
toe, deze vervorming volgt lijnstuk CD à materiaal wordt hier blijvend vervormd: plastische
vervorming
Indien bij C niet onderbroken, zal de curve afbuigen volgend CB
à verlenging treedt nog sneller op, kracht bereikt maximale waarde in punt B
,Tot punt B was de verlenging ongeveer gelijkmatig verdeeld over de proefstaaf, na punt B zien we in
het midden van de proefstaaf een vernauwing, de insnoering
Vanaf dat de insnoering begint (stuk curve na punt B) moeten we steeds minder kracht op de
proefstaaf uitoefenen om ze te doen vervormen tot ze uiteindelijk breekt.
Daarnaast ook een spannings-rekdiagram
Spanning (𝜎) = kracht (F) gedeeld door oppervlak waarop de kracht
inwerkt (A)
Rek (𝜀) = verlening van de proefstaaf (∆L) gedeeld door de
oorspronkelijke lengte van de proefstaaf (Lo)
à uitgedrukt in %
∆"
𝜎 = 𝐹/𝐴 𝜀 = "# 𝑥 100
Naargelang soort kracht een andere benaming aan de spanning toekennen
Trekspanning Spanning onder invloed van trekkracht, doet voorwerp uittrekken
Drukspanning Spanning onder invloed van drukkracht, doet voorwerp samendrukken of
vergruizen
Schuifspanning Spanning onder invloed van schuifkracht, doet voorwerp splijten
Torsiespanning Spanning onder invloed van torsiekracht, doet voorwerp verwringen
Buispanning Doet voorwerp buigen
Hieruit worden enkele belangrijke materiaaleigenschappen afgeleid
Treksterkte (𝜎𝑡) Verhouding tussen de maximale trekkracht (in punt B) & de
oorspronkelijke oppervlakte van de doorsnede van de proefstaaf (Ao)
- Indicatie voor de sterkte van een materiaal
Elasticiteitsgrens Spanning waarbij er voor het eerst plastische vervorming optreedt (na dit
(𝜎𝑒) punt is de vervorming blijvend (punt A)
0,2% rekgrens De spanning waarbij een blijvende rek van 0,2% is opgetreden
- Elasticiteitsgrens moeilijk om exact te bepalen, daarom vaak
gekeken naar het punt waarbij 0,2% rek is opgetreden (makkelijker
vast te stellen)
Elasticiteitsmodulus Verhouding tussen de spanning & de rek in 1ste deel van de curve, waar
van Young (E) verhouding constant is (lijnstuk AO)
- Indicatie voor stijfheid van een materiaal
Breukrek (𝜀𝑏𝑟) (lengte na breuk – oorspronkelijke lengte) / (oorspronkelijke lengte) x100
- Indicatie voor taaiheid van een materiaal
, - Taai materiaal: materiaal breekt na sterke blijvende vervorming
- Bros materiaal: materiaal breekt als bij geringe blijvende
vervorming
Insnoering (𝜓) Verschil tussen de oorspronkelijke dwarsdoorsnede en de doorsnede op
de plaats waar de proefstaaf is ingesnoerd en gebroken
De kerfslagproef
à hiermee wordt de slagvastheid van een materiaal gemeten
Slagvastheid
= de mate waarin een materiaal bestand is tegen schokbelasting (ook wel slag- of
stootbelasting), de energie nodig om een gegeven volume of een gegeven doorsnede van een
materiaal te doen breken.
Meest gebruikte proef: kerfslagproef van Charpy
Principe:
Proefstaaf wordt voorzien van inkerving en wordt in 1 slag
door slaghamer gebroken, uit het gemeten hoogteverschil
berekent men de kerfslagwaarde (Ks)
Ks = slagarbeid gedeeld door de doorsnede Ao
Slaghamer wordt tot een bepaalde hoogte getild (h1) en losgelaten, slingert tegen proefstaaf, breekt
ze en slingert door langs andere kant tot op een tweede, lagere hoogte (h2)
à Slagarbeid nodig om staaf te breken: verschil in potentiële energie tussen stand 1 en stand 3
Hoe groter Ks, hoe beter materiaal bestand tegen stotende belasting
Hardheidsproeven
Krasproef, hardheidsschaal van Mohs
à Meet weerstand tegen krassen
Lijst van 10 standaardmineralen waaraan men een hardheid van 1 tot 10 toekent. Elke stof kan de
voorgaande in de lijst krassen maar de volgende niet à 10 hardheidsgraden
Materialen kunnen vergeleken worden met deze standaardmineralen door te
proberen om krassen te maken op het materiaal. Het materiaal krijgt dan de
hardheidsgraad van de klasse lager dan de stof waarmee het nog juist gekrast
kan worden.
Wordt nog steeds gebruikt bij hardheidsmetingen van keramische materialen en mineralen.
DEEL 1: EIGENSCHAPPEN VAN MATERIALEN
1. INLEIDING – OVERZICHT MATERIAALEIGENSCHAPPEN
Materialen worden gekozen op basis van hun eigenschappen
- Bij elk materiaal verschillend
- Eigenschappen die bij ene materialen van toepassing zijn, bij andere materialen soms niet
relevant
- Ontwerper moet op basis van deze eigenschappen een geschikte materiaalkeuze maken
Materiaalklassen
- Metalen
- Kunststoffen
- Keramische materialen
- Composieten
Soorten eigenschappen
- Chemische eigenschappen: samenstelling, ontvlambaarheid, corrosievastheid…
- Fysische eigenschappen: thermische eigenschappen, elektrische eigenschappen…
- Mechanische eigenschappen: rekeigenschappen, breuktaaiheid, drukvastheid…
- Producttechnische eigenschappen: maatvastheid, vormbaarheid, verkrijgbaarheid…
, 2. BESPREKING ENKELE MATERIAALEIGENSCHAPPEN
2.1. Mechanische eigenschappen
= zeggen iets over het gedrag van materialen onder invloed van krachten
- Trekkrachten, drukkrachten, afschuifkrachten… alleen of in combinatie op materiaal
uitgeoefend
o Krachtenpatroon kan ingewikkeld zijn
Wanneer krachten worden gemeten in labo’s
- Proeven bewust zeer eenvoudig
- Maar 1 kracht tegelijk gemeten
o Daardoor soms niet bruikbaar in realiteit wanneer meer krachten op materiaal inwerken)
De trekproef
= op een trekbank wordt een proefstaaf met genormaliseerde afmetingen onderworpen aan een
gelijkelijk toenemende trekkracht tot de proefstaaf breekt.
Tijdens proef 2 eenheden geregistreerd:
- Verlenging van de staaf onder invloed van de kracht (∆L)
- Trekkracht nodig om de verlenging te doen ontstaan (F)
à van deze registratie kan trekkracht-verlengingsdiagram worden opgesteld
In begin: trekkracht & verlenging recht evenredig (rechte lijn
van O naar A) à evenredigheidsgebied
Binnen dit gebied keer staaf nog terug naar
oorspronkelijke vorm als proef wordt onderbroken à
materiaal wordt niet blijvend vervormd
A = evenredigheidsgrens van het materiaal
Boog van A naar C: verlenging neemt sneller toe dan in lijnstuk OA
Indien proef in punt C wordt onderbroken: bij afnemen van kracht treedt blijvende vervorming
toe, deze vervorming volgt lijnstuk CD à materiaal wordt hier blijvend vervormd: plastische
vervorming
Indien bij C niet onderbroken, zal de curve afbuigen volgend CB
à verlenging treedt nog sneller op, kracht bereikt maximale waarde in punt B
,Tot punt B was de verlenging ongeveer gelijkmatig verdeeld over de proefstaaf, na punt B zien we in
het midden van de proefstaaf een vernauwing, de insnoering
Vanaf dat de insnoering begint (stuk curve na punt B) moeten we steeds minder kracht op de
proefstaaf uitoefenen om ze te doen vervormen tot ze uiteindelijk breekt.
Daarnaast ook een spannings-rekdiagram
Spanning (𝜎) = kracht (F) gedeeld door oppervlak waarop de kracht
inwerkt (A)
Rek (𝜀) = verlening van de proefstaaf (∆L) gedeeld door de
oorspronkelijke lengte van de proefstaaf (Lo)
à uitgedrukt in %
∆"
𝜎 = 𝐹/𝐴 𝜀 = "# 𝑥 100
Naargelang soort kracht een andere benaming aan de spanning toekennen
Trekspanning Spanning onder invloed van trekkracht, doet voorwerp uittrekken
Drukspanning Spanning onder invloed van drukkracht, doet voorwerp samendrukken of
vergruizen
Schuifspanning Spanning onder invloed van schuifkracht, doet voorwerp splijten
Torsiespanning Spanning onder invloed van torsiekracht, doet voorwerp verwringen
Buispanning Doet voorwerp buigen
Hieruit worden enkele belangrijke materiaaleigenschappen afgeleid
Treksterkte (𝜎𝑡) Verhouding tussen de maximale trekkracht (in punt B) & de
oorspronkelijke oppervlakte van de doorsnede van de proefstaaf (Ao)
- Indicatie voor de sterkte van een materiaal
Elasticiteitsgrens Spanning waarbij er voor het eerst plastische vervorming optreedt (na dit
(𝜎𝑒) punt is de vervorming blijvend (punt A)
0,2% rekgrens De spanning waarbij een blijvende rek van 0,2% is opgetreden
- Elasticiteitsgrens moeilijk om exact te bepalen, daarom vaak
gekeken naar het punt waarbij 0,2% rek is opgetreden (makkelijker
vast te stellen)
Elasticiteitsmodulus Verhouding tussen de spanning & de rek in 1ste deel van de curve, waar
van Young (E) verhouding constant is (lijnstuk AO)
- Indicatie voor stijfheid van een materiaal
Breukrek (𝜀𝑏𝑟) (lengte na breuk – oorspronkelijke lengte) / (oorspronkelijke lengte) x100
- Indicatie voor taaiheid van een materiaal
, - Taai materiaal: materiaal breekt na sterke blijvende vervorming
- Bros materiaal: materiaal breekt als bij geringe blijvende
vervorming
Insnoering (𝜓) Verschil tussen de oorspronkelijke dwarsdoorsnede en de doorsnede op
de plaats waar de proefstaaf is ingesnoerd en gebroken
De kerfslagproef
à hiermee wordt de slagvastheid van een materiaal gemeten
Slagvastheid
= de mate waarin een materiaal bestand is tegen schokbelasting (ook wel slag- of
stootbelasting), de energie nodig om een gegeven volume of een gegeven doorsnede van een
materiaal te doen breken.
Meest gebruikte proef: kerfslagproef van Charpy
Principe:
Proefstaaf wordt voorzien van inkerving en wordt in 1 slag
door slaghamer gebroken, uit het gemeten hoogteverschil
berekent men de kerfslagwaarde (Ks)
Ks = slagarbeid gedeeld door de doorsnede Ao
Slaghamer wordt tot een bepaalde hoogte getild (h1) en losgelaten, slingert tegen proefstaaf, breekt
ze en slingert door langs andere kant tot op een tweede, lagere hoogte (h2)
à Slagarbeid nodig om staaf te breken: verschil in potentiële energie tussen stand 1 en stand 3
Hoe groter Ks, hoe beter materiaal bestand tegen stotende belasting
Hardheidsproeven
Krasproef, hardheidsschaal van Mohs
à Meet weerstand tegen krassen
Lijst van 10 standaardmineralen waaraan men een hardheid van 1 tot 10 toekent. Elke stof kan de
voorgaande in de lijst krassen maar de volgende niet à 10 hardheidsgraden
Materialen kunnen vergeleken worden met deze standaardmineralen door te
proberen om krassen te maken op het materiaal. Het materiaal krijgt dan de
hardheidsgraad van de klasse lager dan de stof waarmee het nog juist gekrast
kan worden.
Wordt nog steeds gebruikt bij hardheidsmetingen van keramische materialen en mineralen.
