Mechanische eigenschappen van materialen

Samenvatting Materialenleer
Mechanische eigenschappen van materialen
INLEIDING
Wat kan er belangrijk zijn voor de keuze van het materiaal?
•
Chemische eigenschappen
•
Fysische eigenschappen
•
Mechanische eigenschappen
•
Dimensionale eigenschappen
DE TREKPROEF
•
•
Korte beschrijving van de proef
o
Een proefstaaf van voorgeschreven vorm en afmetingen wordt in een trektoestel geplaatst en
onder invloed van een toenemende kracht, langzaam met constante snelheid belast.
o
Doel: het beoordelen van een materiaal bij belasting op trek.
De proefstaaf
Er zijn 2 soorten proefstaven:
o
Ronde proefstaven,
o
Rechthoekige proefstaven.
Volgende parameters vinden we terug bij een proefstaaf:
o
L0
de meetlengte
mm
o
d0
de diameter van de ronde proefstaaf
mm
o
?L
de verlenging
mm
o
F
de trekkracht
N
o
A0
de oorspronkelijke doorsnede
mm2
•
We kunnen de waarden weergeven in een F - ? L diagram.
•
Vooraleer we de grafiek bespreken, verklaren we:
o
o
σ =
De oorspronkelijke doorsnede:
π ⋅d0
A0 =
4
ε=
o
•
F
A0
De spanning s :
De rek
ε0 :
2
L − L0 ∆L
=
L0
L0
ε (% ) =
∆L
× 100
L0
We bespreken de grafiek:
σ = E ⋅ ε = ε ⋅ tan α .
o
OP
Op dit stuk is de wet van Hooke werkzaam:
P noemen we de proportionaliteitsgrens.
o
PE
Wordt de staaf op trek belast en daarna ontlast, dan zal de staaf tot zijn
oorspronkelijke lengte terugveren. Er is geen vervorming.
1
E noemen we de elasticiteitsgrens.
totale rek (OZ ) = blijvende rek (OY ) + elastische rek (YZ )
o
V
V noemt men de vloeigrens. De kromme verloopt zeer onregelmatig. Indien de
vloeigrens niet waar te nemen is spreekt men van een
σ 0, 2 grens. Dit is de spanning die 0,2%
blijvende rek vertoont.
o
VM
Er treed versteviging op van het materiaal. M noemen we de maximale belasting.
Vanaf M zal de kracht zich in het zwakste deel van het materiaal vestigen.
o
Opmerking:
Het s – e diagram geeft niet de werkelijke spanning weer die in het materiaal optreed, omdat
F
A0
wordt gebruikt in plaats van
F
.
A
KOUDVERVORMING
•
Indien we een staaf plastisch gaan vervormen, zijn we bezig met de staaf aan het koudvervormen.
•
Eigenschappen:
o
Dezelfde elasticiteitsmodulus (dezelfde a)
o
De elasticiteitsgrens en de treksterkte zijn in belangrijke mate toegenomen
o
De breukrek is gedaald
o
Het materiaal is sterker geworden
•
Het verschijnsel waarbij de elasticiteitsgrens toeneemt bij koudvervorming noemt men ook
verharding.
•
Reductie van de doorsnede = % koudvervorming
% kvv =
•
•
A0 − A
× 100
A0
waarbij A 0: niet koudvervormde doorsnede is.
Opmerkingen:
o
Koudvervorming is een plastische vervorming bij een temperatuur lager dan TR:
T > TR : warmvervorming.
o
Koudvervorming kan weggewerkt worden door gloeien bij TR.
Voorbeelden van kouververvorming:
o
DRAADTREKKEN
Draadtrekken is een vorm van metaalbewerking, waarbij draden koudvervormd worden met
als doel een kleinere sectie te bekomen. De vervorming gebeurt in een treksteen.
Er moeten 2 krachten overwonnen worden: vervormingkracht en wrijvingskracht.
o
ONDERSCHEID TUSSEN AL DAN NIET KOUDVERVORMDE METALEN
F = A ⋅ σ 1 : plastische vervorming
§
Zacht: bij
§
Koud vervormd: bij
F = A ⋅ σ 1 : elastische vervorming
o
KOUDVERVORMING VAN KOPER
o
SADEF
§
Maken van koudvervormde profielen
§
Walsstraat
Praktische betekenis van het s – e diagram
•
Een plastisch materiaal is een materiaal met een grote blijvende vervorming. Deze zijn ideaal voor
koudvervorming.
•
Een elastisch materiaal is een materiaal dat een grote elastische vervorming bezit.
2
•
Een veerkrachtig materiaal is een materiaal dat een grote elastische energie bezit.
σ
elastische energie = vl
2E
2
(resiliëntie)
•
Een grote sM levert een sterk materiaal op.
•
Een bros materiaal vertoont bij breuk zeer weinig blijvende vervorming. Een taai materiaal gaat
insnoeren en vertoont een aanzienlijke breukrek.
•
Een slap materiaal bezit een kleine E modulus. Zulke metalen zullen meer elastisch vervormen dan een
stijf materiaal voor een zelfde s .
•
Stijfheidheeft te maken met de dimensies van het belaste onderdeel.
•
Bij een hard materiaal zal de elasticiteitsgrens snel toenemen bij koudvervorming. Een hard metaal is
dus een metaal dat bij plastische vervorming veel verstevigt.
•
Toelaatbare spanning: door berekenen van de spanning s kan men afleiden hoe de constructie op de
aangelegde belasting zal reageren.
s > sM
s 0,2 < s < s M
s = s 0,2
s < sE
σ
•
breuk van de constructie
geen breuk, maar ontoelaatbare blijvende vervorming
de constructie zal zeer weinig blijvend vervormen
geen blijvende vervorming
noemt men de toelaatbare spanning:
2
σ = σ 0, 2
3
Duktiliteit is een maat voor de grootte van de vervorming die een materiaal weerstaat zonder breuk.
duktilitei t = ε br × 100 =
duktilitei t =
Lbr − L0
×100
L0
A0 − A
× 100
A
INVLOED VAN DE TEMPERATUUR - REKSNELHEID
•
Reksnelheid:
dε
dt
Een grotere reksnelheid geeft een hogere treksterkte, terwijl de breukrek daalt.
•
v=
d (∆L )
dε
= L0 ⋅
dt
dt
DE DRUKPROEF
•
Bij de drukproef wordt de kracht op het proefstuk geleidelijk verhoogd.
o
Brosse metalen: breuk
o
Taaie metalen: verkorting vooraleer scheuren
•
Voor sommige materialen is de drukspanning veel groter dan de trekspanning
•
De coëfficiënt van Poisson: ? of breukdeel.
Voor het geval van een cilindrische proefstaaf met straal r0 en lengte l0 geldt:
r0 − r
l − l0
=η ⋅
r0
l0
DE AFSCHUIFPROEF
•
Met de afschuifproef wordt de schuifkracht v an het metaal bepaald. De maximale afschuifspanning t M
bij breuk vindt men zo:
τM =
F
2A0
F is de maximale belasting, en A 0 is de oorspronkelijke staafdoorsnede.
3
•
Verband tussen t M en sM :
•
Toepassingen:
o
τ M = 0,8 ⋅ σ M
Knippen van staalplaten:
§
FASE 1:
elastisch
§
FASE 2:
plastisch
§
FASE 3:
breuk
(t M overschreden)
HARDHEIDSPROEF
•
De hardheidsmeting bepaalt de weerstand die het materiaal biedt tegen blijvende indrukken.
•
De hardheidsmeting kan men ook bestuderen in een drukvervormingsdiagram.
Hardheid volgens Brinell:
•
Er wordt gebruik gemaakt van een zeer harde stalen kogel. Deze wordt gedurende een bepaalde
periode in het materiaal gedrukt.
•
HB =
30000 N
A
(N / mm2)
(
A = 1 π ⋅ D D − D2 − d 2
2
1
σ M = ⋅ HB
3
)
oppervlakte van de bolkap
Hardheid volgens Rockwell:
•
In plaats van d te meten, meet men bij Rockwell de diepte van de indrukking d.m.v. een meetklok.
•
Kogeltje van
1
16
″
(Rockwell Ball) of kegel met tophoek van 120° wordt gebruikt.
Hardheid volgens Vickers:
•
Indrukking d.m.v. een vierzijdige piramidevormige diamanten punt met tophoek van 136°.
•
HV =
A
•
F
4A
oppervlakte van één vierkant
HV =
2 F ⋅ cos 22°
d2
Hardheidsmeting met de Poldihamer:
•
Hiermee kunnen we de hardheid ter plaatse meten.
•
Behoort tot HB
Scleroscoop van Shore:
•
Meten volgens het principe van de terugveerhoogte.
Hardheid van Mohs:
•
We kunnen hiermee de weerstand tegen krassen bepalen.
DE KERFSLAGPROEF
•
Taaie materialen (grote breukrek) kunnen in sommige omstandigheden bros breken. De
breuksnelheid plant zich hierbij voort met de geluidssnelheid.
•
Deze factoren kunnen het bros breken bepalen:
o
Lage temperaturen
o
Grote belastingssnelheid
o
Spanningsconcentraties:
K ⋅σ
4
•
Naarmate de discontinuïteit scherper is, wordt K groter.
•
De kerfslagwaarde:
KC =
KC ??
KC ??:
taai
bros
?
?
G (H − h )
A0
•
De kerfslagwaarde kan ook worden bepaald i.f.v. de temperatuur.
•
Men kent ook de NDT – temperatuur (Nil Ductility Temperature). Dit is de temperatuur waarbij de
kerfslagwaarde van het materiaal hoger wordt dan een bepaalde grenswaarde.
•
Onderzoek van het breukvlak:
•
o
Glinsterend, onvervormd
?
BROS
o
Fluwelig, sterk vervormd
?
TAAI
Voorbeelden:
o
Lasconstructies
o
LNG – terminal – zeekanaal
o
Aandrijving
o
Het milieuvriendelijk breken van rotsmassa’s
DE KRUIPPROEF
•
Het verschijnsel dat kruip wordt genoemd bestaat erin dat de blijvende vervorming van een
materiaal in de loop der tijd toeneemt, zonder dat de belasting toeneemt.
•
De resultaten van een kruipproef worden voorgesteld in een e(t) diagram. We voeren een
logaritmische schaal in.
•
Er treedt bij het hangen in de machine direct vervorming op. Deze stemt overeen met de
trekproef.
•
Toepassingen vindt men in assen van machines, …
VERMOEIINGSPROEF
•
Vermoeiingsproeven dienen nu om de grootte vast te stellen van de spanningsschommelingen die een
materiaal kan verdragen.
•
We kunnen hierbij onderscheiden:
o
Scheurinitiatie
o
Scheurpropagatie
o
Restbreuk
•
Sprongvermoeiing:
sG = sA
Wisselvermoeiing:
sG = 0
Willekeurige vermoeiingsbelasting.
•
Diagram van Smith: de vermoeiingsgegevens van een bepaald materiaal in combinatie met de
belastingsgevallen:
o
Kerfslagwerking
o
Afwerking van het oppervlak
o
Het materiaal
VERSPAANBAARHEID
•
De materialen hebben onderling een verschillende mate van bewerkbaarheid met verspanend
gereedschap. Deze wordt vastgelegd ineen getal van 0 – 100.
•
Vb. boren:
o
De diepte van een in een bepaalde tijd en met constante druk geboord gat.
5
•
o
De lengte van het aantal gaten dat geboord kan worden zonder de boor opnieuw te worden
herslepen.
o
De energie die nodig is om het gat te boren.
o
Het vermogen.
Gemakkelijk bewerkbare materialen:
o
•
•
Fijne naaldachtige stukjes
Redelijk gemakkelijk bewerkbaar:
o
Geen homogene structuur
o
Spiraal of losse krullen
Moeilijk bewerkbaar:
o
Uit 1 fase opgebouwd
o
Ononderbroken spiraal
Bereiding en verwerking van ruwijzer en staal
Versie 2002 – 03
http://eduserv.kahosl.be/eduhelp
©2003 N. Pollie
6