Materiaaleigenschappen

Ieder materiaal heeft unieke eigenschappen. Deze eigenschappen bepalen bijvoorbeeld de sterkte en hardheid, maar ook de corrosieweerstand of soortelijk gewicht. Zelfs kleur, geur en smaak zijn allemaal materiaalkenmerken. Deze eigenschappen zijn onderverdeeld in categorieën. Materialen hebben thermische, elektrische, magnetische en optische eigenschappen, maar ook mechanische en chemische.

Afgeleid van de materiaaleigenschappen is er sprake van functionele- en bewerkingseigenschappen. Functionele hebben invloed op het product en bewerkingseigenschappen hebben invloed op de productiemogelijkheden. Met name deze laatste is in de plaatbewerking en metaalbewerking van groot belang.

Voor metalen – staal, RVS en aluminium – zijn de mechanische en chemische eigenschappen het meest belangrijk. Deze worden uitgebreid behandeld in dit artikel.

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 gebruiken, is het kennen en ook kunnen berekenen van verschillende mechanische materiaaleigenschappen van groot belang.

  • Elasticiteit
  • Treksterkte
  • Brosheid en taaiheid
  • Druksterkte
  • Buigsterkte
  • Kruip
  • Hardheid
  • Soortelijk Gewicht

Elasticiteit of Elasticiteitsmodulus

Elasticiteit is de mate waarin een materiaal, bij 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.

Treksterkte of tensile strength

Een andere mechanische eigenschap, de treksterkte, is de maximale mechanische belasting die kan optreden in het materiaal. 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 bros materiaal, zoals glas, zal na het bereiken van de treksterkte direct breken. 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 hele hoge druksterkte, hoewel deze waarde praktisch gezien van gering belang is. Bij beton is de druksterkte juist wel een heel belangrijke waarde.

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 veel gevolgen heeft, maar die bij staal, met een hogere elasticiteitsmodulus, 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, Dillidur en Raex 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 kubieke meter uitgedrukt in kilogram (kg/m³). Het soortelijk gewicht verschilt sterk per materiaal en zelfs tussen de diverse metaalsoorten zitten onderlinge variaties. Op basis van het soortelijk gewicht is het totale gewicht van een constructie of voorwerp te bepalen. Gebruik voor het berekenen van vlakke plaat, (roestvast) staal en aluminium onze rekentool.

Chemische eigenschappen

Naast deze mechanische eigenschappen zijn de chemische eigenschappen zeer bepalend voor metalen. De chemische samenstelling bij metalen, ook wel legeringen genoemd, zijn van grote invloed op de materiaaleigenschappen en bepalen voor een groot deel welke mechanische en bewerkingseigenschappen het materiaal heeft. Enkele voorbeelden van deze eigenschappen zijn:

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

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.

Legeringselementen

Metallurgen besteden veel tijd en aandacht aan het vinden van de juiste 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.

Ander 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 hangen. 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, trommelen, 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 en Dillidur laten zich veel minder gemakkelijk koud vervormen.

Verspaanbaarheid

Verspanen is een ingewikkeld proces. Er zijn vele variabelen die invloed hebben op de kwaliteit. Eén daarvan is de samenstelling van het materiaal. Staalsoorten met een hoge hardheid zijn 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 wordt. Omdat verspaning, in de vorm van frezen, boren, tappen of draaien, veel voorkomt is het belangrijk om rekening te houden met de verspaanbaarheid.

Lasbaarheid

Niet alle metalen zijn even geschikt om te lassen. De kans op scheurvorming of onvolkomenheden 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.