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
