Materialenleer Cursus PDF

I. Inleiding: Materialenleer heeft de laatste jaren sterk aan belang toegenomen. De redenen hiertoe zijn voornamelijk economisch. Bekijken we eens het aandeel van uitgaven in een gemiddeld bedrijf: 15% personeel 15% gereedschap 10% besparen op materialen heeft grotere impac...

I. Inleiding: Materialenleer heeft de laatste jaren sterk aan belang toegenomen. De redenen hiertoe zijn voornamelijk economisch. Bekijken we eens het aandeel van uitgaven in een gemiddeld bedrijf: 15% personeel 15% gereedschap 10% besparen op materialen heeft grotere impact 15% management dan 10% op personeel. 55% materialen Staalsoorten: Er zijn ongeveer 2000 staalsoorten, deze kunnen wel herleid worden naar 30 materialen met elk een hele hoop equivalenten. Kunststoffen: Er zijn ongeveer 150 000 geregistreerde kunststoffen. Indien een materiaal dient gekozen te worden voor een onderdeel van een technisch ontwerp, moet vooreerst nagegaan worden wat de vereiste eigenschappen moeten zijn van de betreffende component (vb. sterkte, elektrische geleidbaarheid, thermische uitzetting, bestendigheid in een corrosief milieu). Dan moeten bij de verschillende beschikbare materialen deze eigenschappen vergeleken worden zodat het meest geschikte kan gekozen worden. Materialen vertonen immers eigenschappen die sterk kunnen uiteenlopen: vb. metalen zijn doorgaans goed plooibaar, keramische materialen niet; metalen zijn doorgaans goede elektrische geleiders, kunststoffen niet. Dit houdt dus in dat de materiaaleigenschappen moeten gekend zijn. Een spectrum van de materiaaleigenschappen wordt gegeven in figuur 0.1. Per materiaalgroep worden de meest relevante eigenschappen vermeld. Deze eigenschappen kunnen kwantitatief gemeten en vastgelegd worden, meestal via destructieve laboratoriumtesten. Deze lijst kan als geheugensteun gebruikt worden om geen aandachtspunten te vergeten bij het kiezen van een materiaal. -1- Overzicht van de materiaalsoorten => www.materials.com 1 Materiaaleigenschappen: 1.1 Mechanische eigenschappen: Bv.: Hardheid, treksterkte, impactsterkte, … 1.2 Fysische eigenschappen: Bv.: Warmte bestendigheid, warmte-geleidbaarheid, soortelijke massa ρ ( bij staal bedraagt deze ± 7,8 kg/dm³), kleur, lineaire uitzetting, … 1.3 Chemische eigenschappen: Bv.: Corrosiebestendigheid, oplosbaarheid, brandbaarheid, smeltpunt, oxidatiebestendigheid, … 1.4 Technologische eigenschappen: Bv.: Verspaanbaarheid, lasbaarheid,… 1.5 Economische eigenschappen: Bv. Kostprijs, beschikbaarheid, duurzaamheid, … 1.6 Groene eigenschappen: Bv.: Recycleerbaarheid, afbreekbaarheid, biomaterialen, … 2 Testen en proeven: Om materiaaleigenschappen te bepalen beschikken we over verscheidene gamma’s aan testen. Zoals daar zijn: Chemische testen, Fysische testen, verspaningsproeven... Binnen deze nota’s beperken we ons echter tot mechanische beproeving, dewelke op hun beurt is onderverdeeld in: 2.1 Destructief Testen: Bv.: Trekproef, drukproef, hardheidsmeting, vermoeiingsproef... 2.1.1 Materiaaltesten 2.1.2 Producttesten 2.2 Niet Destructief Testen: Bv.: Ultrasoononderzoek, Penetranten, röntgenfotografie... -2-  3 Mechanische testen 3.1 De Trekproef: Om deze treksterkte te bepalen, onderwerp je het materiaal aan een trekproef waarbij je een proefstaaf van dit materiaal stuktrekt. 3.1.1 Wat is een trekproef. Tijdens een trekproef gaan we een proefstaaf verlengen met behulp van een trekkracht, gewoonlijk tot er breuk optreedt. Tijdens deze proef gaan we een of meerdere mechanische eigenschappen bepalen. 3.1.2 Waarom een trekproef uitvoeren. We kunnen een trekproef uitvoeren om verscheidene redenen. Deze redenen moeten op voorhand vast gelegd worden. Deze bepalen namelijk welke mechanische eigenschappen we wensen te kennen, hoe we de proef moeten uitvoeren en hoe nauwkeurig we onze metingen dienen uit te voeren. Redenen kunnen bvb zijn:
Kwaliteitscontrole bij het vrijgeven van materialen (garantie van minimale sterkte).
Kwaliteitscontrole op aangekochte materialen (het materiaal is aangekocht voor specifieke toepassingen met bijhorende eigenschappen).
Projectmatig onderzoek.
Fundamenteel onderzoek. 3.1.3 Machine: Dan nog kan er een onderscheid gemaakt worden in 2 types machines: Hydraulische machines Elektromechanische machines (E.M.) Veel lawaai Stil Grote terugslag => robuuste opstelling van Staat op rubberen blokken en meer is de machine is vereist. er niet nodig. Grote krachten Max. 60 ton ½ van de opbouw = proefruimte Volledige opbouw = proefruimte X€ X/2 € Waarom dan toch de hydraulische machines gebruiken? Deze machine wordt gekocht omdat deze zeer hoge frequenties kan halen om iets dooreen te schudden. -3-  3.1.4 Meten: Opbouw van de machine: Het monster wordt ingeklemd en wordt dan op trek belast. De traverse kan volledig op en neer en kun dus metingen uitvoeren tegelijkertijd, nl. trek en druk. Het proefmonster: De geometrie van het monster heeft invloed op het resultaat Halters op proefstaven zijn gewenst wanneer men klembreuk moet voorkomen. De voorkeur gaat toch naar de vlakke inspanning want wanneer je een rond profiel moet opspannen in de klemmen, span je maar op 4 lijnen terwijl bij een vlak profiel je op een veel groter oppervlak kunt klemmen. Wat wordt / kan er opgemeten worden. Tijdens het uitvoeren van de proef meten we enerzijds de trekkracht op en anderzijds de verlenging. Dit zijn de basiszaken voor een trekproef. Aanvullend kan de verlenging meerdere malen synchroon opgemeten worden, ten einde een hogere nauwkeurigheid van de meetresultaten te bekomen. Ook kan men de breedte verandering tijdens de proef gaan opmeten. De vereiste nauwkeurigheid van de meetapparatuur vormt hier zelden een probleem. Om de meetresultaten van de proefstaven met verschillende afmetingen nu met elkaar te vergelijken wordt de trekbelasting gedeeld door het initiële oppervlak van de dwarsdoorsnede van de proefstaaf. Op deze manier bekomen we meetresultaten die meer materiaalafhankelijk zijn dan proefstaafafhankelijk. Daartoe dient het initiële oppervlak van de dwarsdoorsnede van de proefstaaf opgemeten te worden. De toegestane vormafwijking en de vereiste meetnauwkeurigheid zorgen hier wel dikwijls voor problemen. -4- Relevant voorbeeld: Volgens normalisatie moet S0 bepaald worden uit metingen van de relevante afmetingen. Bij vlakke proefstaven uit plaatstaal bvb mag de fout op S0 niet meer dan ±2% bedragen. En omdat het grootste deel van de fout gewoonlijk voorkomt uit het meten van de dikte, mag de fout in de meting van de breedte niet meer dan ±0.2% bedragen. In formulevorm kan deze uitleg dan als volgt weergegeven worden: Gegeven is: RF (S0) ≤ ± 2% en RF(b) ≤ ± 0,2% en S0 = a x b Uit foutentheorie weten we dat: [RF (S0)]2 = [RF(a)]2 + [RF(b)]2 zodat we kunnen besluiten dat: RF(a) ≤ ± √( [RF (S0)]2- [RF(b)]2 ) RF(a) ≤ ± 1,98% Hieruit kunnen we dus besluiten dat de fout op de meting van de dikte van de proefstaaf niet meer dan ± 1,98% mag bedragen. Op een plaatdikte van 1mm geeft dit een maximale toegestane afwijking van ± 0,0198mm. Belang van S0: technische spanning t.o.v. effectieve spanning. Berekening van de sturing. -5- We meten:  de verlenging ∆l (mm)  de kracht F (N) We kunnen dit meten met verschillende methodes: - met een meetklok: Deze methode is niet zo goed voor de meetklok zelf. Deze dient manueel voor de breuk verwijderd te zijn. - met clip-on’s: Dit is de digitale versie van de clip-on. - met een gestuurde rekmeter: Deze heeft de combinatie van volgende eigenschappen: hoogste nauwkeurigheid, grootste range, zeer flexibel. De gestuurde rekmeter wordt op de proefstaaf bevestigt met 2 “armen”. De gestuurde rekmeter steunt ook op de machine, zodat bij een bepaalde waarde de “armen” zich van het proefstuk automatisch verwijderen om schade te voorkomen. -6- - met video meters:  De vervorming uit het beeld berekenen.  Voordeel is dat er geen beïnvloeding van het object door contact.  zijn zeer handig in bvb. Thermokamers, want de camera kan buiten het proefgebied geplaatst worden. - met laserinterferentie: Meest nauwkeurig. Wanneer 2 lichtgolven op elkaar in werken dan kan dit op 2 manieren: ofwel versterken ofwel verzwakken, ookwel positieve of negatieve interferentie genaamd. De interferentie wordt gemeten tussen de uitgestraalde en de weerkaatste straal. Dit heeft dan een zwart of wit streepje, hieruit kan men dan met behulp van de lichtfrequentie de verlenging berekenen. Nadelen:  geen groot bereik: door de (te) grote meetnauwkeurigheid ga je snel buiten bereik => enkel toepasbaar voor weinig rekbare materialen.  ander licht kan de meting verstoren -7- - F-> rekstrookjes: Weerstand van het strookje: R + ∆RF + ∆RT Deze zal 1 maal worden gekalibreerd, de ∆RF is een zeer kleine waarde 10-6 Ω. Doordat er zoveel verschillende nevenfactoren zijn zoals temperatuur, weerstand in de kabel,… Daarom maakt men gebruik van meerdere rekstrookjes: Vb.: R + ∆RF + ∆RT R + ∆RF + ∆RT -- 0 + 2 ∆RF + 0 Door alle excentrische krachten eruit te halen kunnen we deze niet meten, dus we kunnen de machine er niet tegen beveiligen omdat we niet weten dat deze er zijn. Vb.: Trekproef op een lint: Oplossing is een kogelgewricht op machine aanbrengen. - Krachtcellen: je hebt hierin 2 soorten:  S: goedkoop, goede nauwkeurigheid, verdraagt geen wringing:  Vlak: kan beter tegen wringing, is wel complexer: -8-  3.1.5 De waarneming: Het verloop en registreren van een trekproef: Dit is een kromme, met assen:  R = Technische Spanning => R = F S0 (S0 = initieel opp.)  A = Technische Rek => A = ∆l l0 (l0 = beginlengte) Dus om R te bepalen moeten we de kracht F meten en om de A te bepalen moeten we verlenging ∆l opmeten. Merk op: R ≠ σ en S ≠ ε De technische spanning of technische rek is niet gelijk aan de effectieve waarde van spanning en rek. σ =FS & ε = ∫ dl l A = ∫dl/l0 = Dl/l0 = (l-l0)/l0 = (l/l0)-1 ε = ∫dl/l=ln(l/l0) = ln(A+1) S0xl0=Sxl ⇒ S/S0=l0/L R = F/S0 s = F/S = (F/S0)x(S0/S)=Rx(A+1) M.a.w. bij effectieve waarde meet je de initiële waarde van de volgende stap ten opzichte van de initiële waarde van de vorige stap. Effectieve waarden: verandering van sectie in rekening brengen Technische waarden: verandering van sectie niet in rekening brengen => Waarom technische waarden?:  Historisch: het begint nu pas mogelijk te worden om effectieve waarden op te meten.  Het is te moeilijk om S continu te bepalen.  Alle klassieke sterkteberekeningen zijn gebaseerd op R en A ( technische waarden) De werkwijze van het uitvoeren van een proef is volledig sequentieel opgebouwd, dit zowel in normalisatie als in instelling en gebruik van de apparatuur. Dit heeft als gevolg dat wie de sequenties, met bijhorende functies uit de normalisatie en / of software kent en begrijpt, die ook vlot kan instellen. Naast de instellingen kan men dan ook tijdens het gebruik zien als er iets mis gaat en waarom het mis gaat. Een machine kan enkel uitvoeren wat wij vragen en definiëren. De gebruiker moet dus steeds slimmer zijn dan de machine. De software en de machine kunnen onmogelijk weten of er nu verpakkingen van yoghurt, bh sluitingen of tentzeilen beproefd worden. Aangezien de software veel recenter is dan bijhorende normalisatie, werden er tevens extra zaken toegevoegd, die het gebruik en / of de mogelijkheden van de machine moeten vereenvoudigen en verbeteren. -9-  300 Str e s s in N/mm² 200 100 0 0 10 20 30 Strain in % Meest algemene trekkromme. Belangrijkste gebieden:  Het elastisch gebied.  Het plastisch gebied.  Het vloeigebied.  De uniforme verlenging.  De insnoering. Het inspannen van de proefstaaf. Het is van groot belang dat de proefstaaf op een correcte manier ingespannen wordt. Aandachtspunten zijn:
De proefstaaf mooi verticaal inspannen zodat belasting zoveel mogelijk axiaal wordt aangebracht.
De proefstaaf zo centraal mogelijk aanbrengen zodat de krachtcel zoveel mogelijk axiaal wordt belast.
Effectieve belasting van de proefstaaf door inspanning ook in de metingen opnemen (wigklauwen geven bij het aanbrengen een drukkracht). Aanslagen kunnen hierbij een heel handig hulpmiddel vormen. - 10 - De voorlast aanbrengen. De voorlast zelf is nog niet in normalisatie aanwezig. Wat we echter verlangen van een trekbank is praktisch nogal moeilijk uitvoerbaar. We willen een proefstaaf spelingvrij opspannen zonder hierop belasting aan te brengen. De voorlast heeft als functie externe invloeden (vb. speling) uit onze grafiek te filteren. De waarden die we als voorlast nemen moeten proefondervindelijk opgesteld worden en blijken sterk afhankelijk te zijn van het onderhoud en gebruik van de machine. We dienen er echter wel rekening mee te houden dat alles wat er gebeurt voor de voorlast niet opgemeten wordt, maar berekend wordt uit het verder verloop (Wet van Hooke). Indien de voorlast echter te klein genomen wordt kunnen we de volgende verschijnselen in het begin van onze grafiek waarnemen: 25 20 15 Stress in N/mm² 10 5 0 0,0 0,5 1,0 1,5 Nominal strain in mm Op de meest vloeiende grafiek zien we het indringen van de grippen van wigklauwen, vooraleer we zinvolle informatie opnemen. Op de tweede grafiek zien we het slecht volgen van de wiggen door slecht onderhoud. Gelieve op de vorige grafiek aan te duiden wat de functie is van een goed gekozen voorlast en een bijhorende waarde voor dit materiaal aan te duiden. Vuistregel: FV ≤ 2% FM verwacht Opmerking: Is de rimpel toch boven de 2 % FM dan zal de machine waarschijnlijk te groot zijn voor de machine => overgaan naar een kleinere machine - 11 - In het elastisch gebied. 250 200 Stress in N/mm² 150 100 50 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Strain in % Aanvankelijk hebben we een heel kleine verlenging met een heel grote krachtopname. Dit verklaart waarom we hier nood hebben aan een heel nauwkeurige opmeting van de verlenging. In dit eerste deel van de kromme is de verlenging recht evenredig met de kracht. Het verband wordt door de wet van Hooke in de volgende formule uitgedrukt: R = E x A = tg α x A R: spanning = kracht / S0 A: rek = ∆L / L0 E: elasticiteitsmodulus Voor de meeste soorten staal is E ≅ 210 kN/mm² ≅ 21 000 kN/cm² Belangrijk! De elasticiteitsmodulus wordt in geen enkele normalisatie omtrent trekproeven als meetresultaat op zichzelf erkend. Het is een noodzakelijk tussenresultaat om andere waarden te bepalen en de sturing van de machine te regelen. We kunnen met behulp van een trekbank een E-modulus benaderd bepalen. Dit vraagt echter heel wat werk. Tijdens reeksproeven is dit niet vanzelfsprekend. De toepassingen waartoe we de E-modulus echter nodig hebben worden niet beïnvloed door deze afwijkingen. - 12 - Oefening: Gegeven: l0=80 Bij belasting R = 200 N mm² Gevraagd: α, ∆l Oplossing: Er zijn verscheidene mogelijkheden tot het bepalen van de E-modulus. Om de E- modulus te bepalen, bakenen we eerst een gebied af, waar we zeker zijn dat het verloop van de kromme lineair is. Dan laten we er een wiskundige methode op los om in dit gebied de meest passende richtingscoëfficiënt van de best passende rechte te laten berekenen. - 13 - Een kort overzicht:
Secant: Er wordt een koorde getrokken tussen de 2 gekozen referentiepunten.
Regressie: Hierbij wordt er verondersteld dat het materiaal een lineair gebied heeft. Deze methode zal de best passende rechte berekenen waarbij als criterium geld, de oppervlakten tussen de berekende rechte en de werkelijke curve.
Tangent: Tussen de 2 referentiepunten wordt de best passende polynomiaalvergelijking berekend. Vervolgens wordt de raaklijn aan deze berekende kromme bepaald.
Manueel: Omdat een E-modulus zo moeilijk te bepalen is wensen sommigen die via ultrasoon of interferrentie meettechniek te bepalen en die dan manueel in te geven.
Hysteresis: Meest nauwkeurige methode. Hierbij laten we in het eerste deel van de proef de kracht eens terug afnemen en later terug stijgen. De op deze manier gevormde lus zorgt nu voor 2 snijpunten, die op hun beurt de E-modulus bepalen. 100 80 Stress in N/mm² 60 40 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 Strain in % Belangrijk! Om een proef goed te laten verlopen moet dit deel van de kromme goed geregistreerd en verwerkt worden. Hiertoe is het van belang dat het lineair gebied goed gekozen is. Daarom moet begin E-modulus bepaling groter zijn dan de voorlast, maar zo laag mogelijk. Einde E-modulus bepaling moet dan ook nog in het lineair gebied liggen. Om in het plastisch gebied niet nog steeds op zoek te zijn naar de E- modulus beveiligen we ons door te stellen dat er geen 5% variatie mag zijn in het verloop van de rico. - 14 -  Aangezien de snelheid en wijze waarop de belasting wordt aangebracht een invloed heeft op het meetresultaat heeft men hieromtrent bepalingen in normalisatie aangebracht. Om dit gedeelte van de kromme nu op een herhaalbare manier te kunnen meten vraagt men om in het elastisch gebied en tot aan de eerste bovenste vloeigrens de snelheid van de aangedreven traverse van het beproevingstoestel zo constant mogelijk en binnen bepaalde grenzen van bepaalde spanningstoename te houden. Voor staalsoorten vraagt men tussen de 6 en 30 N/mm²s. Interpretatie is hier “mogelijk”. We kunnen hier opteren voor:
Positiesturing: Constante verplaatsing van de traverse, met spanningsbewaking.
Krachtsturing: Constante krachttoename, met spanningsbewaking.
Verlengingssturing: Constante verlenging. Normpuristen kiezen hier unaniem voor positiesturing met spanningsbewaking. Aangezien voor een grote groep staalsoorten er hier weinig invloed is, kiezen er tevens velen voor de krachtsturing. Dit omwille van de grote tijdswinst. Gelieve op de volgende grafieken aan te duiden wat bij wat hoort: 8000 400 6000 300 Pa Force in N/mm² th 4000 in 200 µ m 2000 100 0 0 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Time in s Time in s Opmerking: positiesturing is de eenvoudigste sturing voor elektromechanische testmachines - 15 -  Vloeigrens en rekgrens. 320 Stress in N/mm² 300 280 0 2 4 6 8 Strain in % Indien het materiaal een vloeiverschijnsel vertoont, wordt tijdens het uitvoeren van de proef een punt bereikt waarop plastische vervorming plaatsvindt zonder enige toename van kracht. We onthouden hierbij dat een drempel geen vloeigebied is. We definiëren hierbij: ReH: de bovenste vloeigrens. De spanning waarbij de eerste duidelijke daling van kracht wordt waargenomen. ReL: de onderste vloeigrens. De laagste spanning die tijdens het vloeien optreedt. Kortstondige onregelmatigheden worden hierbij niet in beschouwing genomen. Re = vloeispanning Reh = bovenste vloeigebied : eerste punt waar de rico van de raaklijn negatief wordt. Rel = onderste vloeigebied : laatste negatief punt op de curve. Rest nog het instellen van de mogelijke snelheden. Normalisatie hieromtrent is vrij complex. Afhankelijk van wat er dient opgemeten te worden, zijn er verscheidene en verschillende voorschriften. Hiervoor is de normtekst zelf de meest relevante tekst. - 16 - In het plastisch gebied. 300 S t r e s s in N / m m ² 250 200 150 0 10 20 30 Strain in % In het plastisch gebied zien we eerst de uniforme rek (welke het zonet behandelde vloeigebied omvat) tot aan de hoogste gemeten kracht. Hier beslist het materiaal om te breken. Van hieraan zal niettegenstaande de dalende kracht, het materiaal verder verlengen (insnoeren op de zwakste plaats) tot breuk. Bij dit gedeelte hebben we een grote verlenging bij kleine krachtvariaties. Dit laat ons toe om minder nauwkeurig een verplaatsing op te meten en de proef tevens sneller te laten verlopen. In de normalisatie hieromtrent geeft men enkel de maximale toegestane reksnelheid van het evenwijdige gedeelte. Deze mag niet groter zijn dan 0,008/s. v -> Reh -> idem E-modulus indien Rel niet bepaald wordt vt = constante = snelheid van de traverse vt ≤ 0.008 1/s ≤ 0.008 mm/mm s l0 = 100 mm => vt = 0.8 mm/s Tevens is het aangeraden om in deze zone de breedte-opnemer en de nauwkeurige rekmeter automatisch te verwijderen. Op deze manier beschermen we deze nauwkeurige meettoestellen tegen de slag van de breuk. Tip! Zelf vastgelegde waarden zijn steeds zekerder dan berekende resultaten. Indien de software het resultaat niet vindt, worden de opnemers niet verwijderd. - 17 - Control parameters. Hier hebben we 3 mogelijke soorten parameters.
De verwachte stijfheid van het materiaal. De machine dient te weten welke weerstand er mag verwacht worden, voor het starten. Hiertoe hebben we een richtwaarde voor de stijfheid of E-modulus van het materiaal nodig.
De stijfheid van de machine in de gebruikte opstelling. De machine dient te weten hoeveel ze zelf zal vervormen onder invloed van de aangebrachte kracht. Deze factor dient op voorhand voor deze opstelling opgemeten te worden. Hiertoe maken we gebruik van een oneindig stijve proefstaaf. 50000 40000 N 30000 s tre S sin 20000 10000 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Str ain in mm Indien de vervorming van de oneindig stijve proefstaaf nu opgemeten wordt met de traverse en een nauwkeurige rekmeter, dan is het verschil van deze waarden de vervorming van de machine. Hieruit kunnen we dan eenvoudig de stijfheid van onze opstelling bepalen.
De P-factor voor de controllers. Dit is de versterkingsfactor voor onze regelaars. Deze waarden dienen proefondervindelijk opgesteld te worden. Indien deze waarde te groot is zal de regelaar te sterk tegen elke verandering reageren. Het gevolg hiervan is dat de machine zal staan “dansen”. Bij een te kleine waarde zal de machine nooit een geselecteerde waarde halen. Tip! => snelheid (v) ↑ = - stijfheid ↑ - broosheid ↑ - taaiheid ↓ - sterkte, hardheid ↑ - 18 -  3.1.6 resultaten Basisresultaten en bijhorende aanvullingen uit een goed ingestelde sturing. Uit het vorig deel hebben we nu reeds een aantal resultaten gehaald. Bij deze wat toelichting : F low F high Deze waarden geven de afbakening weer van het gebied waar we onderstellen dat de curve zeker lineair verloopt. In deze zone laten we de E-modulus berekenen. E-modulus 150 19 18 Stress in N/mm² Width in mm 100 17 50 16 0,2 0,3 0,4 Strain in % Deze waarde geeft de stijfheid van een materiaal weer. Dit is de weerstand van het materiaal tegen elastische vervorming. Visueel komt dit overeen met de helling van de rechte of de tangent van de hoek tussen de rechte en de horizontale as. Voor staal is dit ongeveer 210 kN/mm². E-modulus hysteresis Deze E-modulus wordt bepaald door de koorde tussen het keerpunt en de snijlijn van een hysteresis-lus. Dit resultaat kan niet afzonderlijk nadien bepaald worden. Het is de meest nauwkeurige manier om een E-modulus te bepalen. Indien men deze wenst dient men deze tevens in de sturing aan te vragen, tijdens de test is er dan immers een extra beweging nodig. - 19 - Reh Bovenste vloeigrens. Rel Onderste vloeigrens. Ae Rek die optreedt tijdens het vloeien, gemeten met een rekmeter. 400 350 /m sinN m ² 300 s tre S 250 200 0 2 4 6 Strain in % Voor het bepalen van deze waarden zie deel : Het verloop en registreren van een trekproef. Deze waarden bepalen hoe STUG een materiaal is. Dit is de weerstand van het materiaal tegen een blijvende plastische vervorming. Een stug materiaal heeft een hoog vloeigebied. Het tegenovergestelde is een week materiaal. Aangezien heel wat materialen geen echt vloeigebied bezitten, heeft men als vervangreferentie de proportionaliteitsgrens ingevoerd. In normalisatie spreekt men hier van Rp, zijnde de rekgrens bij niet proportionele rek, gemeten met een rekmeter. Vb. RP0,2 Dit is dan de rekgrens met 0.2 % blijvende (plastische) rek van het materiaal. Rp0,2 = Technische spanning bij plastische rek van 0,2%. = vervangwaarde voor de Reh-waarde. Deze waarde wordt gebruikt omdat ze gemakkelijker te bepalen en eenduidig is en elk materiaal heeft deze waarde. - 20 - Op analoge manier beschikken we over : RP0,1, RPx1, RPx2 Gebruik hiervan is analoog aan RP0,2. De x-referenties en bijhorende types van rek zijn echter vrij te kiezen zodat wij deze tevens kunnen gebruiken als eigen vastgelegde referentiewaarden. 150 Stress in N/mm² 100 50 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Path in % In de zelfde zone kunnen nog 2 verhoudingen bepaald worden, zijnde : YSR Yield stress ratio : Vloeigrens-verhouding. Dit is de verhouding tussen Reh en Rm. YSR = (Reh/Rm)x100 uitgedrukt in % PSR Proof stress ratio : Rekgrens-verhouding. Dit is de verhouding tussen Rx en Rm. PSR = (Rx/Rm)x100 uitgedrukt in % Tevens hier kan x vrij gekozen worden. - 21 - 1. Berekenbare resultaten (uit geregistreerde meetwaarden). Rm Treksterkte. De maximale spanning /kracht die uit een trekkromme te halen is. Dit is de sterkte van het materiaal. Een sterk materiaal heeft een hoge weerstand tegen het verbreken van de samenhang. Ag Niet-proportionele uniforme rek bij maximum kracht Fm. Agt Totale uniforme rek bij maximum kracht Fm 252 250 248 Stress in N/mm² 246 244 242 21,0 21,2 21,4 21,6 21,8 22,0 Path in % Ag = uniforme plastische rek Agt = uniforme totaal rek (plastische en elastische rek) Tot op het punt Ag, is het proefstuk op elke plaats evenveel uitgetrokken. Er treedt geen insnoering op in het vloeigebied. Opmerking: - Het versmallen van het proefstuk (= insnoering) vangt aan bij Rm. Vanaf dit punt daalt de technische spanning. De werkelijke spanning loopt vanaf hier erg hoog op. Vanaf hier zal enkel het zwakste punt nog verlengen. - RM: hoe hoger RM, hoe sterker en hoe harder het materiaal. Alo= breukrek (Deze is oa belangrijk in de automobielsector) Voor het vergelijken (tussen verschillende factoren) van een verschillende Alo op verschillende lengte is de volgende formule toepasbaar: Al0 = Ag + ARM – RB = Ag + ∆l(RM-RB) / l0 Opmerking: Bij A50 en A80 is Ag steeds dezelfde => Ag is uniform. - 22 - Oefening: Gegeven: St37 Gevraagd: A50 l0 = 80 Ag = 12,5 % A80 = 24 % Oplossing: - 23 - F Break Kracht bij breuk. Al0 Breukrek. Dit is de breukrek bepaald op basis van de gekozen meetlengte van de rekmeter. A80 Dit is de breukrek, bepaald op basis van een initiële meetlengte van 80mm. De effectieve meetlengte hoeft geen 80 mm te zijn. Het breukpunt zelf, wordt vastgelegd op basis van detectie van onverklaarbare slingerbewegingen. Hiertoe maken we gebruik van volgend menu : 250 200 150 Stress in N/mm² 100 50 0 0 10 20 30 40 Path in % Voor het bepalen van Al0 kunnen we gebruik maken van volgende formule : Al0 = [Au1 / L0R + Au2 / L0T + Ai / L0R ]*100 Met Al0 :Breukrek.(in %) Au1 :Plastische uniforme verlenging, gemeten met rekmeter (in mm). L0R :Initiële meetlengte van de rekmeter (in mm). Au2 :Plastische uniforme verlenging, gemeten met traverse tussen het verwijderen van de rekmeter en het maximum van de kromme (in mm). L0T :Initële meetlengte van de traverse (evenwijdige deel van de proefstaaf) (in mm). Ai :Plastische verlenging, gemeten met de traverse tijdens de insnoering (in mm). De mate van vervorming die een materiaal kan ondergaan vooraleer het breekt bepaalt de taaiheid. Taaiheid is dus evenredig met een grote vervorming en insnoering voor breuk. - 24 -  µ en m Poisson verhoudingen µ = [ ( b1/b0 ) / ( L1/L0 ) ] Deze factor bepaalt de breedteverandering ten gevolge van de lengteverandering. m = [ ( L1/L0 ) / ( b1/b0 ) ] = 1/µ µ Deze factor bepaalt de lengteverandering ten gevolge van de breedteverandering. Deze factor is gerelateerd naar de volumeverandering van het monster ten gevolge van de uitrekking. Bij volledig isotrope materialen varieert de coëfficient van Poisson µ tussen 0,2 en 0,5. 0,2 voor ceramische materialen. 0,5 voor heel elastische rubbers. Deze coëfficient is interessant voor isotropen, aangezien hij kan gerelateerd worden naar torsie-toepassingen. Z Insnoering na breuk in %. Dit resultaat berekent men als volgt : Z = [(S0 – S0(A)) / S0]*100 Met : S0 : initieel oppervlak van de sectie van de proefstaaf (bepaling : zie uitvoeren van de trekproef). S0(A) :Oppervlak van de sectie van de proefstaaf na breuk. Deze waarde wordt berekend uit zelf gemeten waarden. Deze waarden worden automatisch na het uitvoeren van de proef opgevraagd. Anisotropiecoëfficient r De anisotropiecoëfficient van een materiaal is een maat voor de dieptrekbaarheid van het materiaal. Het geeft weer hoe goed een materiaal tijdens het vervormen aan verdunning kan weerstaan. Aangezien deze waarde variëert met de richting waarin de kracht wordt aangebracht, moeten we hier tevens rekening mee houden. Deze waarde staat voor de verhouding : breedte insnoering / dikte insnoering. Omwille van de meetmoeilijkheid wordt deze formule omgerekend naar : { ln [b0/b1] / ln ([l1*b1]/[l0*b0])} Men dient er voor te zorgen dat deze metingen gebeuren in het gebied van uniforme, plastische rek (dus na het vloeigebied en voor Fmax). r-value Individuele verticale anisotropie-waarde zoals aangevraagd bij de preselectie. r-average Gemiddelde van voorgaande waarden, berekend per proefstaaf. dr Planaire of gemiddelde vlakte anisotropie. dr = (r0 + r90) /2 –r45 of (r0 + r90) /2 –(r45+ r135) /2 rm Normale of gemiddelde vlakte anisotropie. rm = [r0 + r90 + 2*r45 ]/4 of [r0 + r90 + r45+ r135] /4 - 25 -  K: Sterktecoëfficient K-factor in N/mm² σ / ε^n) * S0 K = (σ σ= Fmax * [A / (L0 * S0)] Fmax: maximum kracht in N A: Rek bij breuk in mm (X-corrected) L0: Meetlengte van de actieve rekmeter in mm (X-corrected) S0: Oppervlakte van de initiële sectie van de proefstaaf in mm² ε = ln (A / L0) n = {ln (1+eps2)/(1+eps1) + ln (F2 / F1)} / ln ln (1+eps2) / ln (1+eps1) n: verstevigingsexponent eps1: Rek bij het begin van de n-bepaling in mm eps2: Rek bij het einde van de n-bepaling in mm F1: Kracht bij het begin van de n-bepaling in N F2: Kracht bij het einde van de n-bepaling in N n-value verstevigingsexponent. Deze waarde geeft weer hoeveel een materiaal verstevigd of verhard is na plastische vervorming. Fysisch komt deze waarde overeen met de richtingscoëfficient van de raaklijn aan de kromme in het plastisch, uniform deel van de curve. Deze waarde geeft dus de kromming van de curve weer. dn Planaire of gemiddelde vlakte verstevigingsexponent. dn = (n0 + n90) /2 –n45 of (n0 + n90) /2 –(n45+ n135) /2 nm Normale of gemiddelde vlakte verstevigingsexponent. nm = [n0 + n90 + 2*n45 ]/4 of [n0 + n90 + n45+ n135] /4 - 26 - 3.2 Drukproef: Deze proef wordt dikwijls uitgevoerd op een trekbank waarbij de klauwen vervangen worden door drukplaten. De normaalkracht op het proefstuk (meestal cilindervormig, met genormaliseerde afmetingen) wordt eveneens geleidelijk verhoogd. De normaalspanning Rd wordt gedefinieerd zoals bij de trekproef: Rd = F / A0 De verkorting wordt stuik εd genoemd, en gedefinieerd zoals de rek bij de trekproef: Rd = -(∆L / L0).100 (in%) Bij brosse materialen treedt breuk op zonder noemenswaardige voorafgaande vervorming. Bij taaie materialen zal het proefstuk aanzienlijk verkorten of opstuiken vooraleer het begint te scheuren. Naargelang de taaiheid van het materiaal toeneemt, neemt ook de verkorting toe. Bij drukbelasting zal het proefstuk tijdens het vervormen aan de eindvlakken tegengehouden worden door de wrijvingskrachten W (figuur ). Hierdoor zal het proefstuk tonvormig worden. De vervorming is hier ook in het begin elastisch, pas bij hogere spanningen kan plastische vervorming optreden. Grootheden zoals elasticiteitsgrens, breuk- of druksterkte, … kunnen hier ook bepaald worden. Bij plastische materialen (o.a. de meeste metalen) wordt dikwijls de toelaatbare spanning op druk (Rd) gelijk genomen aan die op trek (Rt). Andere materialen (beton, baksteen, gietijzer, keramieken, ….) vertonen een druksterkte die veel hoger is dan de treksterkte. De toelaatbare spanning op druk is dan ook veel hoger dan deze op trek. - 27 - 3.3 Buigproef (3 punts of 4 punts): Analoog testverloop aan trek- & drukproef. Door middel van het uitvoeren van een buigproef willen we te weten komen welke krachten er nodig zijn voor het buigen van staal en aantonen hoe taai staal is. Een buigproef is een proef op materiaal, waarbij een stuk aan beide uiteinden wordt gesteund en in het midden wordt belast. Er zijn twee mogelijkheden: ofwel worden de uiteinden ingeklemd, ofwel vrij gesteund. dit geeft lichtjes andere resultaten. De proef kan destructief of niet-destructief zijn. Bij een destructieve proef wordt de belasting opgedreven tot het materiaal bezwijkt. Een dergelijke proef stelt dus de breukspanning vast. Een niet-destructieve proef meet alleen de vervorming bij de aangelegde belasting. Een dergelijke proef stelt dus de elasticiteitsmodulus vast en bewijst, dat het stuk een bepaalde belasting aankan. Niet-destructieve proeven gebeuren op echte stukken. Destructieve proeven gebeuren op proefstukken of op enkele exemplaren van grotere series. Bruggen en andere kunstwerken worden dikwijls niet-destructief beproefd voor oplevering, om zeker te stellen dat geen defecten in materiaal of verwerking een te grote afwijking tussen echte en berekende sterkte geven. Proefstukken van beton ondergaan dikwijls een destructieve test. - 28 - 3.4 Afschuifproef => bvb een boutverbinding testen: Bij afschuiving wordt het materiaal evenwijdig met de dwarsdoorsnede belast, zoals geïllustreerd in de volgende figuur. Hier wordt de afschuifspanning τ gedefinieerd als: τ = F / A0 met F = kracht (N) A0 = oppervlak van de oorspronkelijke dwarsdoorsnede (mm²) Bij breuk bedraagt de maximale afschuifspanning of afschuifsterkte τM (kracht FM) dan FM / A0 Er blijkt bij metalen een (vuistregel)relatie te bestaan tussen τM en σM : τM = 0,8σ σM Dikwijls kan met een eenvoudige proef de afschuifsterkte bepaald worden. In figuur 1.30 wordt een opstelling getoond waar de afschuifsterkte via een dubbelsnedige belasting kan bepaald worden: τM = FM / 2A0. - 29 - Voorbeeld Het knippen van staalplaat (betonstaal …). Het snijproces is een éénsnedig afschuifverschijnsel en bestaat uit verschillende fazen. Fase 1 (elastisch) Het snijmes drukt op het materiaal. Snijden moet steeds gebeuren met enige speling s tussen het vast mes en het snijmes (s = 0,02 à 0,1 maal de plaatdikte). Fase 2 (plastisch) Het snijmes dringt het materiaal binnen dat evenwel nog niet scheurt. De snijkanten dringen 0,2 à 0,5 maal de plaatdikte in het materiaal. De vervorming is blijvend. Fase 3 (breuk) Hier is τM overschreden. Het materiaal begint te scheuren aan de onderkant van het snijmes en aan de bovenkant van het vaste mes. - 30 - 3.5 Hardheidsmetingen: De hardheidsmetingen kunnen opgedeeld worden in 2 groepen: - directe  tijdens het testen  na het testen - indirecte (via trillingsdempende eigenschappen) 3.5.1 Schaal van Mohs => krashardheid: Schaal 1 -> 10 Doos met 10 materialen. De hardheid van het hardst bekende materiaal, diamant, werd gesteld op 10; de hardheid van talk, werd gesteld op 1. De hardheid van een onbekend mineraal kan eenvoudig worden vastgesteld door uit te proberen met welke van die 10 bekende mineralen het bekrast kan worden. De Mohs-hardheid is dan het getal van het materiaal dat het proefstuk juist niet meer zichtbaar krast. Deze test vindt zijn oorsprong in de mineralogie. 1. Talk 6. orthoklaas 2. Gips 7. kwarts 3. Calciet 8. topaas 4. Fluoriet 9. korund 5. Apatiet 10. diamant - 31 -  3.5.2 Brinell: Hard stalen kogel met gekozen diameter, die men in het oppervlak zal drukken, met een gekozen kracht en gedurende een gekozen tijd. Nadien wordt dan de diameter van de indrukking bepaald: 2F HB = (niet kennen, wel begrijpen) π ⋅ D ⋅ ( D − ( D² − d ²) ) Met: D = diameter kogel d = diameter indrukking F = kracht waarmee de indrukking gebeurd HB = Hardheid Brinell = de hardheid is de drukkracht gedeeld door de effectieve oppervlakte van de indrukking. Notatie: 3500 HB 5 / 2450 / 30 Tijd in seconden Kracht in N Diameter kogel in mm Hardheid Standaardwaarden worden niet vermeld: 10/ 2000/ 10 D F t Opmerking: hardheidsmeting Brinell wordt het meest gebruikt omdat het de oudste is en dus ook de al de meeste referentiewaarden bezit. 3.5.3 Meyer: Deze is dezelfde hardheidsmeting als Brinell: HM = kracht gedeeld door het geprojecteerd oppervlak van de indrukking F HM = π ⋅ r² Voordelen Brinell & Meyer:  het zijn de oudste methoden en er zijn dus meeste tabellen en info ter beschikking.  Grote indrukking: voor heterogene materialen een soort van gemiddelde waarde, belangrijk voor korrelige structuren. Nadelen:  opstuiking zorgt voor moeilijke meetbaarheid bij Brinell  2 toestellen nodig om de proef te doen bij Meyer: 1 om de proef uit te voeren 1 om te meten  moeilijk te automatiseren  steeds hardere kogel nodig dan het testmateriaal, dus enkel toepasbaar voor zachte staalsoorten. => perfecte indrukking: wanneer je een kogel tussen de helft en een kwart van zijn diameter indrukt, de raaklijnen aan de kogel vormen dan de tophoek voor de vickerspiramide.  Het testoppervlak moet voorbereid worden (schuren – polijsten) - 32 -  3.5.4 Vickers: Deze hardheidsmeting gebeurt met een specifieke diamanten piramide die men in het oppervlak drukt met een vrij te kiezen kracht (tussen 0 en 120kg), nadien wordt de indrukking diagonaal opgemeten. 1,854 F HV = HV= Hardheid Vickers d² Notatie: 1800 HV 100/30 → 1800 = hardheid → 1OO = F in kg → 30 = t in s Voordelen:  1 indruklichaam  Je kan alle materialen testen  Duidelijk en nauwkeurig opmeetbaar  Kracht is vrij te kiezen: 0 → 120kg  Microscoop toepassingen Bereik Belastingen en schalen Conventioneel hardheidsbereik 49,03N-980,7N (HV5 – HV100) Medium 1,961N-49,03N (HV0,2 – HV5) Micro 0,098N-1,961N (HV0,01 – HV0,2) Nadelen:  duur (microscoop nodig met iemand die alles meet  meestal omslachtig ( kan alleen op een zuiver, glad, corrosie vrij, verfvrij, … oppervlak) 3.5.5 Knoop Deze hardheidsmeting ligt in het verlengde van Vickers. Hier is het indruklichaam een naaldvormige ruit: 1,451F HK = d² → 1,451 is een correctie factor, deze zorgt ervoor dat de fout op de geslepen diamant in rekening gebracht wordt. => deze wordt niet berekend maar uitgemeten aan de hand van de afwijking van het indruklichaam. → d is de opgemeten lange diagonaal van de indrukking. Schaal Belasting F, N HK 0,01 0,09807 HK 0,02 0,1961 HK 0,025 0,2452 HK 0,05 0,4903 HK 0,1 0,9807 HK 0,2 1,961 HK 0,3 2,942 HK 0,5 4,903 HK 1 9,807 Hardheidsmeting volgens Knoop heeft veel toepassing in galvanische lagen. - 33 -  3.5.6 Rockwell De hardheidsmeting volgens Rockwell gebeurt met verschillende indruklichamen. Er wordt eerst een voorlast geleverd en dan een bijkomende last, namelijk de hoofdlast. En uiteindelijk weer de voorlastspanning. Bij het meten wordt met behulp van een meetklok het verschil van de indrukdiepte voor en na de hoofdlast opgemeten. In functie van de gekozen Rockwell methode liggen voorlast, hoofdlast, indruktijd en indruklichaam vast. F0 = voorlast in kgf F1 = bijkomende hoofdlast in kgf F = totale belasting in kgf e = bijkomende permanente vervorming door aanbrengen van F1 in eenheden van 0.002 mm E = constante afhankelijk van de vorm van het indruklichaa 100 voor diamant, 130 voor kogel Opmerking: Bij dunne oppervlakken => kleine krachten toepassen. Voordelen:  heel nauwkeurig  makkelijk op te meten m.b.v. een meetklok  vrij goedkoop (enkel een meetklok nodig)  snelle meting  door de voorlast is de invloed van een slechte voorbereiding (nog roest, verf,…) minder Nadelen:  veel verschillende methoden, indruklichamen: men moet dus de een keuzen maken op voorhand en dus moet je de uitkomst van meting reeds kunnen voorspellen om de juiste methode te kunnen kiezen. Er is dus een zekere voorkennis van het te testen materiaal nodig. Scale Indenter F0 F1 F E Scale Indenter Type F0 F1 F E A Diamond cone 10 50 60 100 HR 15 N N Diamond cone 3 12 15 100 B 1/16" steel ball 10 90 100 130 HR 30 N N Diamond cone 3 27 30 100 C Diamond cone 10 140 150 100 HR 45 N N Diamond cone 3 42 45 100 D Diamond cone 10 90 100 100 HR 15 T 1/16" steel ball 3 12 15 100 E 1/8" steel ball 10 90 100 130 HR 30 T 1/16" steel ball 3 27 30 100 F 1/16" steel ball 10 50 60 130 HR 45 T 1/16" steel ball 3 42 45 100 G 1/16" steel ball 10 140 150 130 HR 15 W 1/8" steel ball 3 12 15 100 H 1/8" steel ball 10 50 60 130 HR 30 W 1/8" steel ball 3 27 30 100 K 1/8" steel ball 10 140 150 130 HR 45 W 1/8" steel ball 3 42 45 100 L 1/4" steel ball 10 50 60 130 HR 15 X 1/4" steel ball 3 12 15 100 M 1/4" steel ball 10 90 100 130 HR 30 X 1/4" steel ball 3 27 30 100 P 1/4" steel ball 10 140 150 130 HR 45 X 1/4" steel ball 3 42 45 100 R 1/2" steel ball 10 50 60 130 HR 15 Y 1/2" steel ball 3 12 15 100 S 1/2" steel ball 10 90 100 130 HR 30 Y 1/2" steel ball 3 27 30 100 V 1/2" steel ball 10 140 150 130 HR 45 Y 1/2" steel ball 3 42 45 100 - 34 -  3.5.7 Martens Dit is een jongere methode, maar tevens ook een combinatie van 2 methodes: → Vickers (F vrij te kiezen, vast indruklichaam) → Rockwell (indrukdiepte meten) F H IT = AP AP = geprojecteerd plas- tisch oppervlak Ap = 24,504 hp2 (Vickers indruklichaam) F HM = AS Ac = geproject. opp onder belasting Ac = 26.43 hc2 (Vickers indruklichaam) Micro range… Nano range Macro range 2 N ≤ F < 30 kN 2 N > F; h > 0.2 µm h ≤ 0.2 µm De meting gebeurd met een tophoek van 136° (Vickers) en een Berkovich piramide ( is een piramide met 3 zijden, is veel goedkoper te produceren en heeft dezelfde resultaten als Vickers). De kracht van de indrukking is zelf te kiezen. Ook hier meet men de indringdiepte Martens vindt Rockwell zijn sytseem goed maar na de voorlast moet alles eens rusten = tijdverlies. Daarom zal bij Martens de bestpassende curve berekend worden aan de hand van de meetpunten. Het is tevens dankzij huidige technologie dat dit eenvoudig toepasbaar geworden is. Notatie voorbeeld: HM (Berkovich) 0.5/20/20 = 8700 N/mm2 → (Berkovich) = gekozen indruklichaam → 8700 = hardheid → 0.5 = F in N → 20 = t in s om de belasting aan te brengen → 20 = aantal genomen stappen om de belasting aan te brengen. - 35 - 3.6 Impact testen: Deze testen zijn meestal beter gekend onder de naam kerfslagproeven. Voorbeelden hiervan zijn: Charpy, Izod...Producttesten: autocrash testen, test op benzine tank auto,… Bij de beproeving wordt de arbeid gemeten = energie nodig om het stuk te breken. Principe: De kerfslagwaarde K is dan: K = m.g.(H - h) / A0 (Joule/mm²) met A0: oppervlakte van oorspronkelijke doorsnede ter hoogte van de kerf - 36 - Bij het tegen elkaar passen van de helften bij een brosse breuk blijkt dat de breuk zonder deformatie is ontstaan (foto). Als het staafje taai breekt, is het breukvlak onregelmatig en fluweelachtig. Bij het tegen elkaar passen van de stukken blijkt dat een sterke plastische deformatie aan de breuk is voorafgegaan. Soms is de staaf niet geheel gebroken, maar zover gebogen dat hij tussen de steunen is doorgetrokken. In een enkel geval wordt de hamer zelfs geheel afgeremd. Dikwijls vertoont het breukvlak gedeeltelijk de kenmerken van een taaie, gedeeltelijk die van een brosse breuk. Het bij de kerf aansluitende gedeelte van het breukvlak is in dat geval glinsterend, de rest dof. Vaak wordt het (geschatte) percentage taaie breuk bij de proefresultaten vermeld. Visueel onderzoek van de proefstaaf en vooral van het breukoppervlak levert eveneens informatie over het type breuk: - bij zuivere brosse breuk (lage K) is de proefstaaf gebroken zonder noemenswaardige plastische vervorming, het breukoppervlak is korrelig en glinstert - bij zuivere taaie breuk (hoge K) is de proefstaaf onvolledig of zelfs niet gebroken , maar wel sterk plastisch vervormd ; het breukoppervlak heeft een fluweelachtig, vezelig uitzicht - een tussenliggende vorm toont een begin van taaie breuk en eindigt bros Waarom de kerslagproef?: - Invloed van hoge snelheid van de belasting. - Heel gemakkelijk proefmonster, dus gemakkelijk om temperatuursinvloeden te meten. Deze testen werden oorspronkelijk hiertoe ontwikkeld. - Spanningsconcentratiefactor meten: F Trekproef: σ= Impactproef: S σ m = k ×σ - 37 - 3.7 Vermoeiing 3.7.1 Het fenomeen vermoeiing. Zuivere constante belasting komt in de techniek weinig voor. Dikwijls is de belasting periodiek schommelend, vb. ten gevolge van trillingen, onbalans, … De ervaring leert dat bij schommelende belasting breuk optreedt bij een spanning die (veel) lager is dan de breukspanning bij constant belastingsniveau., zelfs lager dan de strekgrens bij metalen. Dit verschijnsel wordt vermoeiing (bij metalen ook metaalmoeheid) genoemd, de optredende breuk vermoeiingsbreuk. Vermoeiingsproeven dienen nu om de grootte vast te stellen van de spanningsschommelingen die een materiaal duurzaam kan verdragen. Vermoeiing bij materialen is een ietwat verwarrende benaming. Als iemand vermoeid is, helpt het te rusten. Bij materialen is dit niet het geval. Ondanks uitgebreide proeven op verschillende materialen, gebeuren nog regelmatig ongevallen ten gevolge van vermoeiingsverschijnselen. Neergestorte vliegtuigen, vergane booreilanden en schepen, brekende assen en veren, … zijn meestal te wijten aan vermoeiing van één of meerdere vitale onderdelen. Men schat dat wereldwijd 80 à 90 % van de optredende breuken bij constructies te wijten zijn aan vermoeiing. Alhoewel het fenomeen vermoeiing goed bekend is bestaat er geen doeltreffend meettoestel dat een potentiële vermoeiingsbreuk rechtstreeks kan detecteren. Een vermoeiingsbreuk kan veelal herkend worden aan het typische uitzicht van het breukvlak dat namelijk uit twee verschillende delen bestaat: het vermoeidheidsbreukvlak en het restbreukvlak. - Meestal is het beginpunt van de scheur (1) een discontinuïteit aan het oppervlak (een scherpe overgang, een gat, een kerf, een fout, … ). Dit stadium van de breuk is de scheurinitiatie. - Het vrij gladde vermoeidheidsbreukvlak (2) is tijdens de belastingsschommelingen gevormd en vertoont concentrische of schelpvormige ringen: één belastingsschommeling doet het breukvlak met één ring vergroten. Dit stadium van de breukvorming wordt dan ook propagatiefase genoemd. - Het restbreukvlak is vrij plots gebroken en vertoont ofwel een taai ofwel een bros ofwel een gemengd taai/bros karakter. Wat is vermoeiing: - aanbrengen van een herhalende belasting - verzwakking testen - snelheid = onbelangrijk - aantal = belangrijk - 38 -  3.7.2 Principe van de vermoeiingsproef :opstellen van de Wöhlerkurve. Vermoeiingsproeven kunnen uitgevoerd worden voor verschillende soorten wisselbelasting: trek,druk, buiging, torsie, … Het materiaal wordt steeds belast in het elastisch gebied. Bij volgende beschrijving wordt uitgegaan van proeven onder zuivere trek- en drukbelasting. Proeven tonen aan dat het aantal pulsaties N (= belastingsschommelingen) tot breuk sterk afhankelijk is van de grootte van de gemiddelde spanning (of voorspanning) σG en van de belastingsamplitude σA. Naargelang σG gelijk of verschillend is van nul kent men verschillende soorten vermoeiingsproeven (figuur). Het spanningsverloop is steeds sinusoidaal. - 39 - Figuur  a. Sprongvermoeiing: σG = σA De proefstaaf wordt geleidelijk op trek belast en terug ontlast. b. Wisselvermoeiing: σG = 0 (σA ≠ 0) Hier wordt de proefstaaf afwisselend op trek en druk belast. c en d. Willekeurige vermoeiingsbelasting: σG > 0 of σG < 0, maar σG ≠ σA De voorspanning kan hier dus trek of druk zijn. De resultaten van vermoeiingsproeven worden per geval (a, b, c of d) in een grafiek, de Wöhlercurve, weergegeven: op de horizontale as wordt N (bij breuk) uitgezet en op de verticale as de bijhorende maximale spanning (σA + σG). De schaalverdeling is cartesisch of logaritmisch. Voorbeelden van deze Wöhlecurven (wisselbelasting bij diverse materialen) zijn gegeven in onderstaande figuur. Uit deze laatste figuur blijkt dat een aantal materialen (o.a. staal) beneden een bepaalde spanningsamplitude niet breken bij wisselbelasting. De horizontale lijn (asymptoot) in de Wöhlerkurve is de vermoeiingsgrens van het materiaal bij wisselbelasting, ook wel wisselsterkte genaamd. Aangezien vermoeiingsproeven zeer lang kunnen duren, neemt men aan dat wanneer staal een belastingsschommeling gedurende 107 pulsaties kan weerstaan, het materiaal niet meer zal breken. De wisselsterkte stemt met andere woorden overeen met een breuk na 107 pulsaties. Bij materialen die geen vermoeiingsgrens vertonen (vele non-ferro’s), definieert men als artificiële vermoeiingsgrens meestal de spanning bij breuk na 5.108 pulsaties. Merk op dat de meeste Al-legeringen geen vermoeiingsgrens vertonen. Juist dit materiaal wordt veel toegepast in de luchtvaart. Per belastingsgeval kan dus een Wöhlercurve worden opgesteld en eventueel een bijhorende vermoeiingsgrens. De vermoeiingsgrens bij sprong of sprongsterkte wordt gedefinieerd als de maximale spanning (2xσA of 2xσG). Het is de bedoeling te weten te komen wanneer een monster niet breekt, volgens Wöhler: wanneer je op de asymptoot zit en je hebt x aantal keer geschud ( 10 × 10 6 Fe ) en het monster is nog niet gebroken, dan zal het ook niet breken. 50 × 10 7 nonFe Opmerking: Deze belasting komt weinig voor, omdat het hier over een constante belasting gaat en dit komt bijna niet voor. Snelheid van het aanbrengen van de wisselbelasting heeft geen belang. Alleen waarde van asymptoot is belangrijk - 40 -  3.7.3 Het Smith-diagram Het Smith-diagram laat toe de vermoeiingsgegevens van een materiaal bij de verschillende belastingsgevallen samen te vatten in één diagram. Voor elke belastingsmodus is het aantal pulsaties tot breuk hetzelfde (meestal N = 107 of N = 5.108). In het diagram wordt voor elke belastingsmodus op de horizontale as de gemiddelde spanning σG uitgezet, terwijl op de verticale as de overeenstemmende maximale spanning + σ (= σG + σA) én de overeenstemmende minimale spanning -σ (= σG - σA) worden uitgezet. Beide laatste spanningen liggen uiteraard in verticale richting even ver van de 45°lijn. Zo ontstaat het diagram. Wanneer bij een andere opgelegde belastingsschommeling beide punten (σG / +σ en σG / -σ) binnen de omtrek van het diagram liggen zal het materiaal niet breken door vermoeiing. Meestal wordt het Smith-diagram enkel gebruikt bij positieve voorspanningen (σG > 0), dus het deel ABCDED’C’B’A’A. In het diagram (figuur 1.74) kunnen een aantal belastingsgevallen bestudeerd worden. - 41 - 1. Bij wisselbelasting is σG = 0, de maximaal toelaatbare spanningsamplitude is dan OA (of OA’). Uit vermoeiingsproeven blijkt dat bij de meeste staalsoorten deze wisselsterkte ongeveer ⅓ bedraagt van de statische treksterkte σM, bij vele kunststoffen 20 à 30% van σM. 2. Bij sprongbelasting bedraagt de maximaal toelaatbare spanning CC’. De minimale spanning is 0 en de gemiddelde spanning de helft van de maximale. 3. Bij zwelbelasting schommelt de spanning tussen twee positieve of twee negatieve waarden. Voor een gemiddelde spanning OY is de maximaal toelaatbare spanning YD, de minimale YD’ en de maximale spanningsamplitude 01D. 4. Voor een willekeurige trilbelasting bedraagt bij een gemiddelde spanning OX de maximaal toelaatbare spanning XB. In praktijk worden de kromme lijnen van het diagram vervangen door rechte lijnstukken (vereenvoudigde versie). Er worden proeven op wissel- en sprongbelasting (bij de vermoeiingsgrens) uitgevoerd om een zo nauwkeurig mogelijk diagram te construeren. In de literatuur zijn dit soort diagrammen te vinden voor veel gebruikte staalsoorten: de horizontale bovengrens is de vloeigrens. - 42 -  3.7.4 Invloedsfactoren bij vermoeiing Verhogen van de temperatuur leidt normaliter tot een daling van de vermoeiingsbestendigheid. Opwarming van het proefstuk kan ook optreden bij proeven, wanneer de ontwikkelde vervormingswarmte niet snel genoeg kan afgevoerd worden. Dit is vooral kritisch bij materialen met een lage warmtegeleidbaarheid zoals kunststoffen. Een te hoge belastingsfrequentie kan dus leiden tot een ontoelaatbare temperatuursstijging. Bij kunststoffen wordt dan ook veelal een maximale frequentie van 30 Hertz vooropgesteld. Wanneer gelijkvormige proefstaven aan eenzelfde belastingscyclus worden onderworpen, blijken de grootste proefstaven het eerst te breken. De voor de hand liggende verklaring is dat bij grotere stukken de kans op inwendige materiaalfouten groter is. Er werd reeds vermeld dat een vermoeiingsbreuk in een punt begint en zich van daaruit voortzet. Het punt waarin de grootste spanning heerst is klaarblijkelijk voorbestemd om de oorsprong van de breuk te vormen. Vele vermoeiingsbreuken ontstaan dus bij een plaatselijke spanningsverhoging. Zo kunnen geometrische discontinuïteiten of een bepaalde oppervlakteruwheid bij dynamische belasting vermoeidheidsbreuk veroorzaken. 3.7.5 Oefening  Vereenvoudigde voorstelling: - 43 - Oefening: Gegeven: Gevraagd: max. wisselbelasting?  St-37  Ra = 14 kN/cm4 = 140 N/mm4  Belasting = 7,5 N/mm²  Re = 240 N/mm² Oplossing: - 44 -  4 Microscopie Een moderne lichtmicroscoop – vaak afgekort als LM - heeft een vergroting van ongeveer 1000x en maakt het mogelijk met het oog details waar te nemen die 0,0002mm van elkaar zijn verwijderd. Bij de voortdurende pogingen de resolutie op te voeren ontdekte men dat deze niet alleen wordt beperkt door het aantal en de kwaliteit van de lenzen maar ook door de golflengte van het licht dat wordt gebruikt voor het verlichten van het preparaat. Het bleek onmogelijk details in het object te onderscheiden die dichter bij elkaar liggen dan deze golflengte. Vooropgesteld dat er voldoende licht is, kan het menselijk oog nog twee punten die op een afstand van 0,2 mm liggen, als aparte punten onderscheiden. Wordt die afstand kleiner, dan ziet het oog maar één punt. De afstand van de twee punten die het oog nog juist kan onderscheiden, wordt de resolutie van het oog genoemd. Aangezien we bij metalen met ondoorschijnende preparaten werken, moet er een belichting met opvallend licht gebeuren en bekijken we hier eigenlijk de weerspiegeling van het preparaat. Om dit te verwezenlijken schuren en polijsten we een “perfecte spiegel”. Nadien wordt het preparaat geëtst (aangetast met zuren) om een reliëf te verkrijgen. Op die manier wordt de “spiegel” aangetast en maken we beeldvorming mogelijk. De lenzenstelsels bestaan uit objectief en oculair. Het oculair is het lenzenstelsel waar men door kijkt. Het objectief bevindt zich bij het preparaat. De totale vergroting is het product van beide afzonderlijke vergrotingen. Met elektronenmicroscopen worden structuren zichtbaar gemaakt die zo klein kunnen zijn als 1 nm (één nanometer, is een duizendste micrometer, oftewel een miljoenste millimeter, oftewel een miljardste meter). - 45 - Globaal wordt er verschil gemaakt tussen transmissie elektronen microscopie (doorlatend - TEM) om vooral de binnenkant van objecten (weefsels, cellen, virussen) te bestuderen en scanning elektronen microscopie (SEM) om de oppervlakte van weefsels, macromoleculaire aggregaten of materialen in beeld te brengen. In plaats van licht worden in zowel TEM als SEM elektronen die het monster bombarderen voor de beeldvorming gebruikt. Net als bij een lichtmicroscoop is er bij EM sprake van een bron (hier een elektronen kanon) en lenzen (hier elektromagnetische lenzen die elektronen afbuigen), namelijk een condensor om de bundel te concentreren, een objectief om scherp te stellen en componenten om de aftastbeweging tot stand te brengen bij SEM alleen. Het principe van beide EM technieken wordt in het kort in de tabel hieronder uitgelegd. - 46 - Scanning Electron Microscopy, SEM: De raster- of scanning elektronenmicroscopie (REM of SEM) is een beeldvormende techniek, die zich bovendien leent tot chemische analyse van een onderzocht oppervlak. Dit type microscopie is gebaseerd op het feit dat materie reageert op een bombardement van hoogenergetische elektronen door het uitzenden van elektronen en fotonen met verschillende energie. Bij deze techniek zijn er 2 soorten elektronen belangrijk: secundaire elektronen: elektronen uitgeworpen uit het specimen na inelastische verstrooiing. Dit wordt gekenmerkt door een energietransfer van de invallende energetische elektronen naar de elektronen van het atoom, de kinetische energie vermindert. Botsende elektronen kunnen er de oorzaak van zijn dat het preparaat zelf elektronen begint uit te zenden. Men noemt die secundaire elektronen. teruggestrooide elektronen: deze ontstaan bij elastische verstrooiing, waarbij de baan van de elektronen gewijzigd wordt. De kinetische energie blijft nagenoeg constant. Enkele van de botsende elektronen worden gereflecteerd. Men noemt ze de teruggestrooide (of “backscattered”) elektronen. Principe: Een elektronenkanon zorgt voor een elektronenbundel die een object aftast ("scant") via een lijnvormig patroon. Wanneer een vaste stof gebombardeerd wordt door een invallende elektronenbundel, worden er elektronen uitgezonden, secundaire elektronen genoemd. Deze worden gekarakteriseerd door hun relatief lage energie. De door het specimen uitgezonden elektronen worden door de detector opgevangen en versterkt. Om een scherp beeld te verkrijgen zijn er elektronenlenzen nodig en een voldoende hoge stroom. SEM is in staat een beeld te vormen van de topografie en de morfologie van het oppervlak (details). Het heeft de capaciteit om secundaire emissies van een gebombardeerd specimen te detecteren en om een synchroon visueel beeld te tonen op een scherm van een kathodestraalbuis. Het aantal secundaire elektronen uitgezonden vanuit dieper gelegen punten in het materiaal is kleiner dan die van hoger gelegen punten. Op het scherm kan men dit onderscheiden door donkere (dieper gelegen) en heldere gebieden. Ionisatie van binnenste schillen: ejectie van een elektron uit de binnenste schil van het atoom, onder invloed van de primaire elektronenbundel, leidt tot een geëxciteerde toestand, die vervalt door emissie van een karakteristieke X-straal of door vorming van een Auger-elektron. (Elektronen van buitenste schillen vullen vacature op.) Karakteristieke X-stralen: De energie en de golflengte van de X-straal-fotonen zijn karakteristiek voor de atomen aanwezig in het onderzochte vaste-stof specimen. Vorming van Auger-elektronen: De elektronen van de invallende (primaire) bundel kunnen ook een elektron uit diepe schil van het atoom vrijmaken. De bij het opvullen van de ontstane vacature vrijkomende relaxatie-energie kan, i.p.v. als een karakteristieke Xstraal uitgezonden te worden, ook dienen om een elektron uit een hogere schil (een zwakker gebonden elektron) uit het atoom los maken. Dit is het Auger-effect. Het laatste van dit 3-elektronen proces noemt men het Auger-elektron. Auger-elektronen hebben maar weinig energie en kunnen dus alleen vrijkomen uit de allerbovenste lagen van een oppervlak. Vandaar dat Auger-elektronenspectrometrie (AES) een zeer gevoelige, typische oppervlak-analysetechniek is. De energie-dispersieve spectrometer (EDS): Chemische analyse bij de scanning elektron microscope wordt uitgevoerd door de energie en intensiteit te meten van het X-straal signaal gegenereerd door een gefocusseerde elektronenbundel. - 47 - Principe: Door de invallende elektronen op de atomen worden X-stralen uitgezonden die karakteristiek zijn voor het gebombardeerde element. Deze stralen worden door EDS, die verbonden is aan de SEM, geïdentificeerd op basis van energie en intensiteit. Van een beeld dat vastgelegd is met de SEM wordt een spectrum opgetekend. De pieken komen overeen met een welbepaald element. Daarom is dit een belangrijk hulpmiddel om op zoek te gaan naar de aan- of afwezigheid van het gezochte element. Analyse: Het totale spectrum wordt in een korte tijd (10-100 seconden) opgetekend, wat een snelle evaluatie van het specimen toelaat. Een negatief punt is dat de energieresolutie, die 120-130 eV bedraagt, zwak is. Dit wil zeggen dat de piekbreedte te groot is waardoor pieken elkaar (gedeeltelijk) kunnen overlappen en de analyse bemoeilijkt wordt. Er is een moeilijke scheiding van K, L en M families die in het spectrum voorkomen. Als de energie van de stralenbundel de kritische ionisatie energie voor een schil overschrijdt, wordt deze geïoniseerd. Alle mogelijke overgangen die hiermee gepaard gaan, vinden plaats. Dit geeft het ontstaan aan een familie van pieken. In het spectrum komen alle lijnen voor, er mag er niet 1ontbreken. De karakteristieke energielijnen in het spectrum duiden op de aanwezigheid van specifieke elementen. Naast kwalitatieve analyse kan er ook een kwantitatieve analyse uitgevoerd worden om de chemische samenstelling op micrometerschaal te bepalen. Een andere analyse-techniek die de X-stralen kan identificeren is de Golflengte- dispersieve spectrometrie (Wavelength-Dispersive Spectrometer, WDS). Deze is veel trager dan EDS, maar heeft een hogere resolutie, < 10 eV. Het probleem van piekoverlapping doet zich hier niet voor. Mapping: Een mapping is een distributiebeeld van een element. De elektronenbundel tast het monster af en de X-stralen met energie die met het element overeenkomen worden opgetekend. Dit geeft een visueel overzicht van waar het element zich bevindt. X-straal foto-elektronen spectrometrie, XPS: X-straal foto-elektronen spectrometrie (XPS) is een analytische techniek die berust op het foto-elektrisch effect om de chemische samenstelling van materiaaloppervlakken te bepalen. Het geeft ook informatie over de structuur. Oppervlakanalyse gebeurt door het materiaal in ultrahoogvacuüm te bestralen met zachte monoenergetische X-stralen en indeling van de geëmitteerde elektronen volgens energie. Door inelastische strooiing vermindert deze kinetische energie. XPS geeft dus informatie over de bovenste atoomlagen. Het spectrum is een print van het aantal geëmitteerde elektronen per energie interval t.o.v. hun kinetische energie. Zowel foto-elektron lijnen als Auger lijnen komen in het spectrum voor. - 48 -  5 Nomenclatuur (naamgeving) !!!!! 5.1 Normering voor staal. In het kader van de Europese eenwording is er besloten tot harmonisatie op het gebied van normen en werd het CEN (Centrum voor Europese normalisatie) opgericht, dit centrum geeft de Europese normen uit dewelke gebaseerd zijn op de individuele landelijke normen en enigszins ook op de overkoepelende ISO-norm. Voor materiaalaanduiding vervangt de Euro-norm de diverse landelijke normen, b.v. de NBN 147 en 153, DIN 171100, … In het verleden werd staal aangeduid op basis van de treksterkte (b.v. A360 of AE235). Sedert september 1992 is er een harmonisering via deze euro-normen tot stand gekomen met de norm 10020. Een paar jaar later werd de norm 10025 van kracht. EN 10025 EN 10025 Werkstofnr. Duitsland België Frankrijk (1993) (1991) S235JR 1.0037 Fe 360 B St 37-2 AE 235-B E 24-2 S235JRG1 1.0036 Fe 360 BFU USt 37-2 S235JRG2 1.0038 Fe 360 BFN RSt 37-2 S235J0 1.0114 Fe 360C St 37-3 U AE 235-C A 24-3 S235J2G3 1.0116 Fe 360 D1 St 37-3 N AE 235-D A24-4 S235J2G4 1.0117 Fe 360 D2 S275JR 1.0044 Fe 430 B St 44-2 AE 255-B E28-2 S275J0 1.0143 Fe 430 C St 44-3 U AE 255-C E28-3 S275J2G3 1.0144 Fe 430D1 St 44-3 N AE 255-D E28-4 S275J2G4 1.0145 Fe 430 D2 S355JR 1.0045 Fe 510 B AE 355-B E36-2 S355J0 1.0553 Fe 510 C St 52-3 U AE 355-C E36-3 S355J2G3 1.0570 Fe 510 D1 St 52-3 N AE 355-D S355J2G4 1.0577 Fe 510 D2 AE S355K2G3 1.0595 Fe 510 DD1 E36-4 355_DD S355K2G4 1.0596 Fe 510 DD2 De nieuwste norm is op heden onder te verdelen in 2 delen: EN 10027 deel 1: aanduiding op basis van mechanische of chemische eigenschappen: hier worden 2 systemen gepresenteerd waarmee staalsoorten en –kwaliteiten worden ingedeeld en aangeduid: o Basissymbool voor de toepassing, aangevuld met codes voor mechanische en fysische kenmerken – meestal voor ongelegeerde staalsoorten. o Aanduiding gebaseerd op de chemische samenstelling – meestal gebruikt voor gelegeerde staalsoorten. EN 10027 deel 2: aanduiding volgens hun werkstofnummer (voorheen DIN-normering). - 49 - 5.2 EN 10027 – deel 1. 5.2.1 Aanduiding van constructiestaal. Het basissymbool voor constructiestaal bestaat volgens EN 10027-1 uit de letter S gevolgd door een getal dat de gespecificeerde rekgrens, al of niet voor het kleinste gespecificeerde diktebereik, aangeeft. Bijvoorbeeld: plaat EN 10025-S235JR: S is het symbool voor constructie staal, 235 = minimale rekgrens N/mm^2. De lettercombinatie JR, slaat op de betreffende eis voor de minimale kerfslagwaarde. Betekenis Achtervoegsel S = (fijnkorrelig) Constructiestaal Gespecificeerde minimum rekgrens voor P = Staal voor drukvaten het kleinste diktebereik, in N/mm^2 L = Staal voor transportleidingen E = Constructiestaal B = Betonstaal Karakteristieke rekgrens, in N/mm^2 Y = Voorspanstaal Gespecificeerde treksterkte, in N/mm^2 R = Staal voor of in vorm van rails Gespecificeerde minimum treksterkte, in N/mm^2 H = Koudgewalste platte producten met Gespecificeerde minimum rekgrens, in hoge rekgrens voor dieptrekken. N/mm^2 D = Platte producten voor koudvervormen C = Voor koudgewalste producten D = Voor warmgewalste producten X = Indien de walsmethode niet is opgegeven. Eis kerfslagproef Temperatuur kerfslagproef J= 27 Joule R= 20°C K= 40 Joule 0= 0°C L= 60 Joule 2= -20°C 3= -30°C 4= -40°C 5= -50°C 6= -60°C - 50 -  Kenmerken constructiestaal W= Corrosiebestendig G1 = Ongekalmeerd staal G2 = Gekalmeerd staal G3 = Genormaliseerd of normaliserend gewalst G4 = Producent heeft de keuze m.b.t. het normaliseren Kenmerken fijnkorrelig constructiestaal N= Genormaliseerd of normaliserend gewalst M= Thermo-mechanisch gewalst L= Voor toepassingen bij lage temperaturen, -50°C NL 1 = Genormaliseerd, lage temperaturen >=16 Joule bij -50°C NL 2 = Genormaliseerd, lage temperaturen >=27 Joule bij -50°C NH = Voor toepassingen bij hoge temperaturen. Q= Veredeld. - 51 - Voorbeelden: o S235 JR G2  S: staal;  235: Gespecificeerde minimum rek of vloeigrens in N/mm²;  JR: kerfslagwaarde = 27J bij 20°C;  G2: leveringstoestand = Gekalmeerd staal. o S355 N L  N L: normaal gegloeid voor lagere temperaturen. - 52 -  5.2.2 Aanduiding staalsamenstelling. Bij de staalkwaliteiten die worden aangeduid op basis van de chemische samenstelling worden drie groepen onderscheiden: 5.2.2.1 Ongelegeerd staal. Basissymbool = C, gevolgd door gemiddelde koolstofpercentage X 100 Bijvoorbeeld : C45 = staal met een koolstofpercentage van 0,45 Een staalsoort behoort tot de ongelegeerde wanneer bepaalde grenswaarden van mogelijke legeringselementen niet overschreden worden. Zuiver ijzer komt in de techniek als constructiemateriaal niet voor. IJzer is namelijk erg zacht, niet sterk en het roest zeer snel. Staal is over het algemeen hard, sterk en - afhankelijk van de legering - roestbestendiger. Grenswaarden voor de indeling bij ongelegeerde of gelegeerde staalsoorten Chemische elementen Grenswaarde Al Aluminium 0.10 B Borium 0.0008 Bi Bismuth 0.10 Co Kobalt 0.10 Cr Chroom (1) 0.30 Cu Koper (1) 0.40 La Lanthaniden (afzonderlijk bepaald) 0.05 Mn Mangaan 1.65 Mo Molybdeen (1) 0.08 Nb Niobium (2) 0.06 Ni Nikkel (1) 0.30 Pb Lood 0.40 Se Selenium 0.10 Si Silicium 0.50 Te Tellurium 0.10 Ti Titanium (2) 0.05 V Vanadium (2) 0.10 W Wolfram 0.10 Ze Zyrconium (2) 0.05 Overige (met uitzondering van koolstof, fosfor, zwavel, 0.05 stikstof). Wanneer van de groep (1) of (2) tegelijkertijd 2, 3 of 4 elementen voorkomen dan moet voor de grenswaarde 70% voor deze elementen genomen worden. Voorbeelden van aanduiding via de chemische samenstelling. o C 35E: ongelegeerd staal met < 1% Mn en 0.35% C met beperkt P & S gehalte (< 0;035%) (vroeger Ck 35); o C 25R: ongelegeerd staal met < 1% Mn en 0.25% C en met voorgeschreven P & S gehalte. (= 0;035%) (vroeger Cm 25); - 53 - 5.2.2.2 Laaggelegeerd staal. Getal = gemiddeld percentage koolstof X 100, gevolgd door de chemische symbolen van de legeringselementen. Deze worden ook weer gevolgd door getallen die de percentage(s) legeringselement(en) x factor. Getallen komen als volgt tot stand: Percentage Co, Cr, Mn, Mi, Si en W X 4 Percentage Al, Be Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V en Zr X 10 Percentage N, P, S en Ce X 100 Percentage B X 1000 Deze hoeveelheid aan legeringselementen ≤ 5%. Aanduiding. Koolstofkengetal in hondersten%; Legeringselementen met hun verhoudingscoëfficiënt (omwille van de kleine hoeveelheid): Legeringselementen Coëfficiënt Kobalt Co Chroom Cr Mangaan Mn 4 Nikkel Ni Silicium Si Wolfram W Aluminium Al Beryllium Be Koper Cu Molybdeen Mo Niobium Nb 10 Lood Pb Tantaal Ta Titaan Ti Vanadium V Zirenium Zr Stikstof N Fosfor P 100 Zwavel S Borium B - 54 -  Voorbeeld. 13CrMo4-5 laaggelegeerd staal met nominaal 0,13% koolstof Naast Fe & C bevat dit staal: 4:4=1% Chroom; 5:10=0.5% Molybdeen 42CrMo4 laaggelegeerd staal met nominaal 0,42% koolstof Naast Fe & C bevat dit staal: 4:4=1% Chroom; een niet nader aangegeven percentage Molybdeen 5.2.2.3 Hooggelegeerd staal. Het basissymbool = X, gevolgd door een getal dat de hoeveelheid koolstof in % x 100 weergeeft. De verdere aanduiding bevat de chemische symbolen van de legeringselementen geklasseerd volgens hun afnemend gehalte, de opeenvolgende getallen geven de gehalten weer van de belangrijkste legeringselementen. Deze legerings-elementen zijn in voldoende mate aanwezig zodat geen verhoudingscoëfficiënten nodig zijn. Een staalsoort is hooggelegeerd wanneer het meer dan 5% legeringselementen bevat. Voorbeeld. X35CrMo 17-6 hooggelegeerd staal met nominaal 0,35% koolstof Naast Fe & C bevat dit staal: 17% Chroom; 6% Molybdeen X50NiCr 21-9 hooggelegeerd staal met nominaal 0,50% koolstof Naast Fe & C bevat dit staal: 21% Nikkel; 9% Chroom; - 55 - 5.3 EN 10027 – deel 2. In deze norm wordt een staalsoort (ook anderen materialen zijn hierin beschreven) via een grondstofnummer benoemd. Dit wordt ook wel het periodieke systeem genoemd dewelke zijn oorsprong vindt in de DIN-norm. => meest gebruikte materiaalaanduiding( maar minst gekende ), bij speciale materialen staat dit nummer steeds op het materiaal. => Boek “staalsleutel”: op basis van het werkstuknummer kan je er alle eigenschappen, normen, leveranciers,… terugvinden. Nadeel: Een nummer zegt weinig en is onmogelijk om van buiten te leren. - 56 - 5.4 Roestvaststaal aanduidingen volgens EN 10088 De aanduiding van roestvaststaalkwaliteiten vindt plaats op basis van chemische samenstelling. Aangezien deze aanduidingen in een aantal gevallen lang worden, is het bij de roestvaste staalkwaliteiten gebruikelijk om het materiaalnummer te gebruiken in plaats van de aanduiding op basis van chemisch samenstelling. In de volgende vier tabellen zijn de aanduidingen voor verschillende soorten RVS weergegeven. Corrosievaste staalsoorten, Ferritische staalkwaliteiten. Corrosievaste staalsoorten, Martensitische en precipitatie geharde staalkwaliteiten. Corrosievaste staalsoorten, austenitische staalkwaliteiten. Duplex roestvaste staalkwaliteiten Corrosievaste staalsoorten, Ferritische staalkwaliteiten. Corrosievaste staalsoorten, Martensitische en precipitatie geharde staalkwaliteiten. - 57 - Corrosievaste staalsoorten, austenitische staalkwaliteiten. Duplex roestvaste staalkwaliteiten De term 'roestvast staal' slaat niet op een welbepaald materiaal, maar dekt een hele reeks Metalen met verschillende samenstellingen en eigenschappen. Ze hebben als Gemeenschappelijk kenmerk dat ze minimaal 11% chroom bevatten, dit element zorgt voor de roestvastheid. - 58 -