Materiaaleigenschappen

Onderverdeling van materiaaleigenschappen

Materiaaleigenschappen zijn onder te verdelen in vele verschillende eigenschappen. Elk met hun eigen doel en doelgroep. Bij constructiestaal zal het uiterlijk bijvoorbeeld niet vaak een doorslaggevende factor zijn, echter de mechanische waarde is juist waarom men voor staal kiest.

Belangrijke waarden welke bij metalen vaak van belang of zelfs doorslaggevend zijn: Corrosieweerstand, het soortelijk gewicht (bij licht construeren), thermische, elektrische en magnetische eigenschappen, mechanische en chemische materiaaleigenschappen. Voor staal, RVS en aluminium (constructiematerialen) zijn de mechanische en chemische eigenschappen veelal het meest belangrijk.

De materiaaleigenschappen zijn weer onder tee verdelen in functionele- en bewerkingseigenschappen. Functionele eigenschappen zijn van invloed op het product zelf. Bewerkingseigenschappen hebben invloed op de productiemogelijkheden. Deze laatste is in de metaalbewerking vaak van groot belang.

Mechanische eigenschappen

Mechanische eigenschappen zijn van grote waarde in de metaalbewerking.

Metalen als staal, RVS en aluminium reageren verschillend op diverse belastingen. Om constructies, machines en werktuigen op een juiste en veilige manier te kunnen ontwerpen is het kennis hebben van de verschillende mechanische materiaaleigenschappen van groot belang.

• Elasticiteit
• Treksterkte
• Brosheid en taaiheid
• Druksterkte
• Buigsterkte
• Kruip
• Hardheid
• Soortelijk gewicht
• Weerstand tegen oxidatie
• Toepassing in agressieve milieus

Elasticiteit of Elasticiteitsmodulus

Elasticiteit is de mate waarin een materiaal, na het wegnemen van een aangebrachte spanning, weer terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat.

Dit is bijvoorbeeld duidelijk te zien bij een veer, die na het aanbrengen van een kracht weer terugkeert naar zijn oorspronkelijke lengte. Bij elasticiteit is er sprake van een tijdelijke vervorming. Wanneer de vervorming niet meer tijdelijk van aard is, dan is er sprake van plastische vervorming. Materialen kunnen op basis van elasticiteit slap of stijf zijn. Stijve materialen zullen niet snel uitrekken, waar slappe materialen dat wel doen. Meer hierover in ons artikel over het spanning rekdiagram.

In de metaalbewerking is de elasticiteit een belangrijke grens, omdat, na het bereiken van dit punt, er een permanente vervorming optreedt. Om materialen te buigen, bijvoorbeeld door kanten, zetten of walsen, moet de elasticiteitsgrens overwonnen worden.

Doorbuiging i.c.m. de elasticiteitsmodulus

Staal heeft ongeacht de variant dezelfde elasticiteitsmodulus: E = 210.000 N/mm².

Het gevolg hiervan is dat de doorbuiging ongeacht de materiaalsoort gelijk is tot aan de proportionaliteitsgrens(het punt waarboven de rek niet meer lineair toeneemt met de belasting). Bij de verschillende formules om doorbuiging te berekenen wordt alleen rekening gehouden met:

• De lengte van het profiel
• De belasting
• Het traagheidsmoment van het profiel
• De elasticiteitsmodulus.

Andere materiaaleigenschappen, zoals de treksterkte, zijn niet van toepassing op de doorbuiging.

Dit is dan ook de voornaamste reden waarom in de bouwwereld, waarbij de doorbuiging veelal belangrijker is dan het kritische punt waarbij de constructie het begeeft, voor het overgrote deel S235 wordt ingezet. Sterkere staalsoorten zullen niet minder doorbuigen bij dezelfde belasting en leveren dus geen voordelen op. Zodra doorbuiging niet meer het probleem is, maar wel het punt van breuk, zal de toepassing van hoogsterkte staal wel van toegevoegde waarde zijn. Bijvoorbeeld in de kranenbouw.

Vloeigrens (Engels: Yield strength)

De vloeigrens is de waarde waarbij een materiaal overgaat van elastische naar plastische vervorming.

Tijdens de elastische vervorming keert een materiaal na het weghalen van de belasting weer terug naar z'n oorspronkelijke vorm. Zodra de vervorming in meer of mindere mate blijvend is, spreken we over plastische vervorming. Het punt waarop dit gebeurd is afhankelijk van de staalvariant of legering. Verschillende legeringselementen kunnen van invloed zijn op dit punt.

Treksterkte (Engels: Tensile strength)

Een andere mechanische eigenschap, de treksterkte, is de maximale mechanische belasting die kan optreden in het materiaal voor er breuk of blijvende verzwakking optreedt.

Zodra de treksterkte is bereikt zal het materiaal insnoeren en uiteindelijk breken. Een sterk materiaal kan meer spanning of belasting weerstaan en een zwak materiaal kan weinig belasting weerstaan voordat het scheurt of breekt. De treksterkte is een belangrijke waarde in de berekening van constructies.

Praktisch gezien is de vloeigrens van veel groter belang, omdat er bij de treksterkte reeds sprake is van een grote blijvende vervorming. De treksterkte wordt uitgebreid behandeld in het artikel over het spanning rekdiagram.

Brosheid en taaiheid

Taaiheid en ook brosheid zeggen iets over de manier waarop een materiaal breekt nadat de treksterkte is bereikt.

Materiaal met een hoge taaiheid zal na het bereiken van de maximale treksterkte eerst insnoeren en daarna pas breken. Een elastiekje is hier een zeer sprekend voorbeeld van. Een bros materiaal zal na het bereiken van de maximale treksterkte direct breken. Een voorbeeld hiervan is glas, wat slechts een minimale hoeveelheid buiging kan hebben voor het breekt. De taaiheid is terug te vinden in het spanning rekdiagram en kan worden bepaald met behulp van een kerfslagproef.

Materiaal met een hoge taaiheid biedt meer weerstand tegen het doorgroeien van kerven en scheuren. Voor zowel hoogsterkte staal als voor slijtvast staal is dit een gewenste eigenschap.

Druksterkte

De druksterkte is de mate waarin een materiaal bestand is tegen een hoge drukbelasting.

Staal heeft een zeer hoge druksterkte. Of de druksterkte bij staal van belang is, hangt sterk af van de toepassing.

Buigsterkte

De buigsterkte is een combinatie van de drukkracht aan de concave zijde en een trekkracht aan de convexe zijde.

Deze vormen samen een krachtenkoppel dat op de plaat of balk werkt. Dit krachtenkoppel wordt ook wel een mechanisch moment of buigmoment genoemd. De krachten werken in tegengestelde richting en zijn, wanneer er geen buiging optreedt, gelijk in grootte. Zodra het krachtenkoppel niet in evenwicht is, dan treedt er een buiging op. Aan de holle zijde zal het materiaal samendrukken, aan de bolle zijde zal het materiaal uitrekken. Lees ook ons artikel over plaat buigen, waarin wij hier dieper op ingaan.

Kruip

Kruip is een aanvullende vervorming die optreedt naarmate een constructie of materiaal langer aan belasting onderhevig is.

Dit kan zowel optreden door een druk- of trekbelasting als door buiging. Kruip is een ongewenst eigenschap die vooral bij hout optreed en daarbij veel gevolgen heeft. Doordat staaleen veel hogere elasticiteitsmodulus heeft, is de kruip veelal verwaarloosbaar is.

Hardheid

De hardheid is bepalend voor de mate waarin het materiaal bestand is tegen krassen en andere vormen van slijtage.

In principe zullen, bij een geringe kracht, beide materialen elastisch vervormen. Wordt de kracht groter, dan zal het materiaal met de hoogste hardheid krassen achterlaten in het voorwerp met de lagere hardheid.

Bij Hardox® wear plate en Dillidur is de hardheid mede bepalend voor de slijtvastheid. De hardheid is te bepalen door middel van een hardheidsmeting, zoals Brinell, Vickers of Rockwell.

Soortelijk gewicht

Het soortelijk gewicht is het gewicht van een materiaal per één kubieke meter, uitgedrukt in kilogram per kubieke meter (kg/m³).

Het soortelijk gewicht verschilt sterk per materiaal en is afhankelijk van de samenstelling en legeringen. Op basis van het soortelijk gewicht is het totale gewicht van een constructie of voorwerp te bepalen. Gebruik voor het berekenen van het gewicht van een vlakke plaat staal, RVS of aluminium onze rekentool.

Legeringselementen

Metallurgen besteden veel tijd en aandacht aan het vinden van de optimale chemische samenstelling van metalen.

Door jaren van ontwikkeling zijn o.a. hoogsterkte staalsoorten en slijtvaste staalsoorten ontwikkelt. De samenstelling van het metaal wordt ook wel de legering genoemd. Ieder legeringselement heeft unieke kenmerken om de metaaleigenschappen te beïnvloeden. Meer over dit thema lees je in ons artikel over legeringselementen.

Chemische eigenschappen

Naast deze mechanische eigenschappen zijn de chemische eigenschappen zeer bepalend voor metalen.

De chemische samenstelling en de toevoeging of juist het uitsluiten van specifieke elementen zijn van grote invloed op de materiaaleigenschappen en bepalen voor een groot deel welke mechanische en bewerkingseigenschappen een materiaal heeft. Enkele voorbeelden van deze eigenschappen zijn:

• Corrosiebestendigheid
• Vochtbestendigheid
• Geur
• Smaak
• Kleur
• Chemische stabiliteit (reactiviteit)
• Zuurbestendigheid
• Brandbaarheid
• Giftigheid
• Stroomgeleidbaardheid

Corrosiebestendigheid

Corrosie is de aantasting van materiaal door chemische stoffen, zoals zuurstof of water.

In de metaalbewerking is corrosiebestendigheid een belangrijke chemische eigenschap. Zo heeft roestvast staal een hoge weerstand tegen corrosie en is daardoor geschikt om te gebruiken in de buitenlucht (RVS 316). Ook zijn er rvs-soorten (Duplex) die geschikt zijn voor gebruik in zeewater.

Wanneer het materiaal zelf niet corrosiebestendig is, dan kan het door middel van een conservering corrosiebestendig worden gemaakt. Zo is het mogelijk om de roestvorming van staal tegen te gaan door middel van thermisch verzinken, poedercoating, verchromen, natlakken of een andere oppervlaktebehandeling.

Overige materiaalkenmerken in de metaalbewerking

Er zijn nog veel meer materiaaleigenschappen. Enkele niet-mechanische en niet-chemische eigenschappen die van toepassing zijn op metalen, worden hieronder behandeld.

• Ferromagnetisme
• Ruwheid
• Thermische geleidbaarheid
• Uitzettingscoëfficiënt

Ferromagnetisme

Ferromagnetische materialen hebben een permanent magnetisch veld rondom zich.

IJzer en nikkel zijn metaalsoorten met sterke ferromagnetische eigenschappen. Bij RVS is dit afhankelijk van kristalstructuur. De austenitische rvs-soorten (300-reeks) zijn niet ferromagnetisch. Daartegenover staat dat RVS uit de 400-reeks wel ferromagnetisch is.

Tosec maakt op alle freesmachines gebruik van magneetbedden. Dit heeft grote voordelen bij het gebruik van ferromagnetische staalsoorten, omdat deze dan eenvoudig en snel opgespannen kunnen worden.

Ruwheid

De ruwheid van het oppervlakte is een eigenschap die sterk per materiaal en ontwerp verschilt.

Zo zijn er montagevlakken, waarbij met een vrij ruw oppervlakte gewerkt kan worden, maar ook glij- en rolvlakken en meetvlakken, waarbij de ruwheidstolerantie veel hoger is. Door middel van verspanen, ruimen, slijpen, borstelen, honen, polijsten en leppen is de ruwheid van het oppervlakte te verlagen.

Thermische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid is een waarde die aangeeft hoe goed het materiaal warmte kan geleiden.

Zilver, koper, goud en aluminium zijn erg goed in het geleiden van warmte. De thermische geleidbaarheid speelt met name in warmtewisselaars (heat exchangers) een grote rol. Deze worden dan ook vaak uit aluminium vervaardigd. Thermische geleidbaarheid wordt ook wel de warmtegeleidingscoëfficiënt genoemd.

Uitzettingscoëfficiënt

Bijna alle materialen zetten uit bij een temperatuurstijging en krimpen weer bij een temperatuurdaling.

De mate waarin dit gebeurt wordt de uitzettingscoëfficiënt genoemd. Stoffen waarin de moleculen beter verbonden zijn, zullen minder uitzetten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij diamant en wolfraam. De uitzettingscoëfficiënt is van groot belang in de metaalbewerking. Met name bij het lassen van metalen wordt er veel warmte ingebracht. Het materiaal zal daardoor uitzetten en bij het afkoelen weer krimpen. Hierdoor kan er scheurvorming optreden. Ook bij het lasersnijden, autogeen- en plasmasnijden moet er rekening gehouden worden met de warmte-inbreng en het uitzetten van het staal.

Bewerkingseigenschappen

In de basis is er een onderscheid te maken in de functionele en producteigenschappen en de productie- of bewerkingseigenschappen.

De functionele eigenschappen zijn door de ontwerper gekozen, omdat het product aan specifieke eisen moet voldoen. De bewerkingseigenschappen zijn hier van afgeleid. Denk bijvoorbeeld aan een constructeur die heeft gekozen voor een slijtvast materiaal. Dit is een gewenste producteigenschap, maar een bijkomend effect van slijtvast staal is dat het moeilijker te verspanen is. Dit is een bewerkingseigenschap, die wordt beïnvloedt door de keuze van de constructeur om een materiaal met slijtvaste eigenschappen te kiezen.

• Verspaanbaarheid
• Koudvervormbaarheid
• Lasbaarheid

Koudvervormbaarheid

Koudvervormbaarheid of ductiliteit is de mate waarin een materiaal zich blijvend laat vervormen zonder dat er scheurvorming of breuk optreedt.

Materialen met een hoge ductiliteit zijn geschikt voor bewerkingen als walsen, kanten en zetten. Het materiaal is taai, maar zacht, waardoor het goed buigt. Harde materialen als Hardox® wear plate en Dillidur laten zich veel minder gemakkelijk koud vervormen.

Verspaanbaarheid

Er zijn vele variabelen die invloed hebben op de verspaanbaarheid van een materiaal.

Eén daarvan is de samenstelling van het materiaal. Staalsoorten met een hoge hardheid zijn over het algemeen minder geschikt om te verspanen. Het gereedschap kan breken of het materiaal zelf kan kleine scheurtjes gaan vertonen. Dit kan leiden tot kerfwerking, waardoor het product onbruikbaar kan worden. Omdat verspaning, in de vorm van frezen, boren, tappen of draaien, veel voorkomt is het belangrijk om rekening te houden met de verspaanbaarheid. Tosec heeft een ruime ervaring met verspanen van moeilijk verspaanbare materialen. Heeft u vragen? Neem dan gerust contact met ons op.

Lasbaarheid

De kans op scheurvorming of ontstaan van onvolkomenheden tijdens lassen is bij de ene metaalsoort groter dan bij de andere.

De mate waarin een materiaal geschikt is om te lassen wordt de lasbaarheid genoemd. Aan de hand van materiaalinformatie, geleverd door staalleveranciers, en het opstellen van lasmethodebeschrijvingen door de lascoördinator, kan de lasbaarheid goed ingeschat worden. Daarmee kunnen lasfouten aan de constructie voorkomen worden.