De kerfslagwaarde
De kerfslagwaarde is een belangrijke materiaaleigenschap en geeft antwoord op de vraag: hoe breukbestendig is mijn constructie bij verschillende gebruikstemperaturen.
De taaiheid van een materiaal komt duidelijk naar voren bij de kerfslagwaarde. Hoe taaier een materiaal is, des te hoger wordt de kerfslagwaarde.
Wat is de kerfslagwaarde?
De kerfslagwaarde is het resultaat van een kerfslagproef en geeft als waarde de hoeveelheid energie die nodig is om een proefstaaf, met een standaardafmeting, bij een bepaalde temperatuur te breken.
Aan de hand van de kerfslagwaarde is de taaiheid/brosheid van een materiaal te bepalen.
Waarom is de kerfslagwaarde belangrijk?
Onder invloed van de temperatuur verandert de taaiheid van staal.
Bij lage temperaturen zal het staal eerder breken. Is de temperatuur hoger, dan is ook de taaiheid van het materiaal hoger. Anders dan bij een trekproef, houdt de kerfslagproef rekening met de temperatuur waaronder het materiaal belast wordt. Aan de hand van de kerfslagwaarde kan een materiaal gekozen worden met een taaiheid die past bij de toepassing i.c.m. de temperatuur waar het werkstuk aan blootgesteld kan worden.
Kerfslagwaarde en lassen
Onder invloed van de warmte die noodzakelijk is tijdens lassen veranderen de materiaaleigenschappen.
De kerfslagwaarde veranderd, waardoor het materiaal brosser wordt. In de praktijk zal dus voor een materiaal gekozen moeten worden met een kerfslagwaarde die bestand is tegen lagere temperaturen dan de daadwerkelijke gebruikstemperatuur.
Hoe werkt een kerfslagproef?
De kerfslagwaarde wordt bepaalt door het uitvoeren van een kerfslagproef. Ook wel bekend als de Charpy impact test of Charpy V-notch test, vernoemd naar de Franse wetenschapper Georges Charpy.
Het meettoestel bestaat uit een pendel met een hamer aan de ene kant en aan de andere kant een schaal. Onderin de opstelling is een aambeeld geplaatst, waarin de proefstaaf geplaatst wordt. De proefstaaf is samengesteld uit het constructiemateriaal en heeft een vaste afmeting, met in het midden een gekalibreerde zaagsnede.
Om bruikbare resultaten te verkrijgen is de test genormaliseerd. Zo moet een volle standaard proefstaaf 10 x 10 x 55 mm zijn (een driekwart staaf van 10 x 7.5 x 55 mm en een halve staaf 10 x 5 x 55 mm is toegestaan indien het te testen materiaal geen volledige proefstaat toelaat). Alle basisdetails en basisbegrippen zijn terug te vinden in de ISO 148 en een uitbreiding hierop in de ISO 14556.
De uitvoering
- Om het energieverlies door wrijving te meten, wordt de hamer in de startpositie gebracht. Vervolgens wordt de hamer losgelaten, zonder dat er een proefstaaf in het aambeeld aanwezig is. Het energieverlies door wrijving is van de schaal af te lezen.
- Opnieuw wordt de hamer in de startpositie gebracht. Nu wordt het proefstaafje in het aambeeld geplaatst. Vervolgens wordt de hamer losgelaten. De proefstaaf wordt door de hamer kapot geslagen en absorbeert een deel van de energie. Het resultaat is de kerfslagwaarde bij de gemeten test temperatuur.
De kerfslagwaarde van een materiaal is niet om te rekenen naar een bepaalde temperatuur. Kerfslagtesten kunnen bij verschillende temperaturen uitgevoerd worden. In de standaard constructiestalen worden de volgende temperaturen gebruikt: 20°C, 0°C, -20°C, -30°C, -40°C, -50°C en -60°C. Andere temperaturen kunnen op aanvraag uitgevoerd worden.
Taaie en brosse breuk
Het breukgedrag van ongelegeerd en laaggelegeerd staal verandert bij een lager wordende temperatuur.
Bij hogere temperaturen zal de breuk taai zijn en bij lage temperaturen zal het materiaal bros breken. Iedere metaalsoort heeft een eigen curve waarlangs de taaiheid/brosheid verloopt.
Het kan voorkomen dat er een kerfslagproef wordt uitgevoerd en dat de proefstaaf niet wordt doorgeslagen. Het materiaal is dan te taai en de gemeten waarde onbruikbaar. In dat geval zal er een zwaardere hamer gebruikt moeten worden. Ook kan er voor gekozen worden om een kleiner proefstaafje te gebruiken. Bij de uitkomst moet natuurlijk wel rekening gehouden worden met het kleinere oppervlak.
Proefstaafjes en de inkerving moeten aan afmetingen voldoen die zijn vast gelegd in de norm ISO 148.
Bij een taaie breuk wordt veel energie geabsorbeerd door het proefstaafje tijdens het breken.
Dit is te herkennen aan een relatief grote verlenging van het proefstaafje en een "dradig" scheuroppervlak. Het proefstaafje is vrij letterlijk door midden gescheurd.
Een taai materiaal zal niet plotseling kapot kunnen gaan, maar zal meer energie opnemen voordat het daadwerkelijk kapot gaat.
Bij een brosse breuk wordt er weinig energie geabsorbeerd door het proefstaafje. Het materiaal zal weinig tot geen verlenging laten zien en het proefstaafje is ook weinig gebogen voor het kapot ging.
Het oppervlak van de breuk is korrelig van structuur.
Hoe lager de temperatuur van staal, hoe brosser het staal over het algemeen wordt. Daarom worden proeven uitgevoerd bij verschillende temperaturen, van +20° tot -60°C afhankelijk van de vereisten in de betreffende materiaalnorm.
Hoe worden kerfslagwaardes genoteerd?
De kerfslagwaardes die uit de kerfslagproef naar voren komen, worden aangegeven met een letter (J, K, L) gevolgd door een letter of cijfer.
De eerste letter geeft de hoeveelheid energie aan waarmee de test is uitgevoerd, het tweede symbool geeft de temperatuur aan waarbij de test is uitgevoerd. Deze symbolen staan in de materiaalnummers vermeldt na de materiaalsoort: S235J2 is een Structural steel, met een vloeigrens van 235 N/mm2 en een kerfslagwaarde van 27 Joule bij een temperatuur van -20 graden.
Anders gezegd: bij een temperatuur van -20 graden absorbeert het genormaliseerde proefstaafje (10 x 10 x 55 mm) 27 Joule aan energie. De verschillende genormaliseerde waarden voor constructiestaalsoorten zie je in de tabel hieronder.
| Symbool | Energie opname | 20°C | 0°C | -20°C | -30°C | -40°C | -50°C | -60°C |
| J | 27 Joule | JR* | J0 | J2 | J3 | J4 | J5 | J6 |
| K | 40 Joule | KR* | K0 | K2 | K3 | K4 | K5 | K6 |
* "R" staat voor "Room-temperature" ofwel kamertemperatuur
De waarden van de kerfslagproeven ten behoeve van constructiestalen zijn vastgelegd in de normen EN 10025-2 t/m 10025-6.
Afhankelijk van het type materiaal en de norm waar deze onder valt zijn er verscheidene manieren om de kerfslagwaarden in de materiaalnotatie op te nemen.