Definities eigenschappen
Veel van de termen die worden gebruikt om de mechanische eigenschappen van materialen te beschrijven, zoals sterkte en taaiheid, zijn bekend uit het dagelijkse taalgebruik. In materiaalkunde hebben deze termen specifieke betekenissen en zijn het goed gedefinieerde kwantificeerbare maten die aangeven hoe een materiaal op een toegepaste belasting reageert.
In deze module zullen we de belangrijkste mechanische eigenschappen bepalen. Voor het bepalen van de eigenschappen is het belangrijk om bekend te zijn met de concepten elastische en plastische vervorming. De volgende oefening helpt deze termen te verklaren: 1. Sterkte
De sterkte is een maat voor de capaciteit van een materiaal om een statische spanning te ondersteunen. Zoals besproken, bepaalt de vloeigrens van een materiaal de spanning die kan worden uitgeoefend voordat er permanente plastische vervorming optreedt.
Naast de vloeigrens zijn er een aantal andere maatstaven van sterkte die worden gebruikt om materialen te vergelijken. Meer details over deze maatstaven kun je vinden in de module over trek en drukeigenschappen.
Er zijn verschillende maatstaven van sterkte die kunnen worden gebruikt. Deze worden gedefinieerd als:
Vloeigrens
Definitie:
De toegepaste spanning die is vereist om permanente plastische vervorming van een materiaal te veroorzaken.
Eenheden: Pa (1 Pa = 1 N m-2)
Opmerking: De rekgrens is vaak gemakkelijker te vinden dan de vloeigrens, omdat het exacte punt van vloeien moeilijk is te bepalen. De 0.2% rekgrens en de vloeigrens zijn dan gelijkwaardig.
0.2% Rekgrens (Rp0,2)
Definitie:
De toegepaste spanning die is vereist om een permanente plastische rek van 0.2% te veroorzaken. Vaak wordt deze gebruikt wanneer de nauwkeurige vloeigrens moeilijk is te bepalen.
Eenheden: Pa (1 Pa = 1 N m-2)
Voorbeelden van waarden: EN AW-7075 T6, Rp0,2 = 505 MPa. EN AW-3003 O, Rp0,2 = 50 MPa
Maximale treksterkte (Rm)
Definitie:
De toegepaste spanning die is vereist om falen door breuk van een materiaal te veroorzaken.
Eenheden: Pa (1 Pa = 1 N m-2)
Voorbeeld waarden: EN AW-7075 T6, Rm = 570 MPa. EN AW-3003 O, Rm = 110 MPa 2. Hardheid
De hardheid is een andere eigenschap, die nauw verwant is met de materiaalsterkte. De hardheid is een maat voor de weerstand van een materiaal tegen indrukking.
Een hardheidsmeting is een populaire beproeving, omdat deze niet-destructief kan worden uitgevoerd, dus zonder het onderdeel dat wordt getest kapot te maken. Micro-hardheidsbeproevingen, die veel kleinere indruklichamen en lagere belastingen nodig hebben, worden ook veel gebruikt om de lokale hardheid te meten.
Er is een breed scala van verschillende hardheidsmetingen die worden gebruikt. Elke beproeving geeft een verschillende waarde voor de hardheid. De hardheid is daarom geen goede universele materiaaleigenschap, maar hangt van de methode af die voor de meting wordt gebruikt.
De hardheidsmetingen zijn gebaseerd op het meten van de grootte van een indrukking, die door een hard indruklichaam onder belasting wordt gevormd.
De hardheid wordt gedefinieerd als toegepaste belasting (in kg) gedeeld door het oppervlak van de indrukking.
In de praktijk, wordt de grootte van de indrukking gemeten onder een microscoop en wordt gerelateerd aan een hardheidswaarde (eenheden: kg mm-2) gebruik makend van een vergelijking (vaak door het raadplegen van een lijst van voorberekende waarden).
In de wereldwijd gebruikte Vickers hardheidsmeting, is het indruklichaam een diamantpiramide.

| | | Hardheidsmeetapparaat voor micro-Vickers | Indrukking achtergelaten in materiaal door diamantpiramide | De grootte van indrukking heeft rechtstreeks betrekking op Vickers hardheid (HV). Een grotere indrukking betekent een zachter materiaal (lagere HV) |
Er is een handige benaderende relatie tussen hardheid Vickers en vloeigrens, die wereldwijd wordt gebruikt, maar niet altijd correct is. De volgende verhouding laat dat zien:
De hardheid van Vickers (HV) ~ 0.3 × vloeispanning (in MPa)
De Brinell hardheid is een andere methode die wordt gebruikt om de hardheid van een materiaal te karakteriseren. Net als de Vickers hardheidsmeting, baseert het zich op het meten van de grootte van een indrukking achtergelaten door een indruklichaam onder een bekende belasting. Het indruklichaam, dat in de hardheidsmeting van Brinell wordt gebruikt, is gewoonlijk een geharde stalen kogel en de gemeten hardheidswaarden hebben andere waarden, dan die bepaald met de hardheidsmeting van Vickers. Vanwege het feit dat de indrukkinggeometrie verandert met de indrukking bij de Brinell hardheidsmeting, is er geen eenvoudige relatie tussen de Brinell hardheid en de vloeigrens. 3. Stijfheid
Voor de meeste toepassingen, is het belangrijk om permanente plastische vervorming te vermijden, dus in de praktijk wordt het ontwerp en de materiaalselectie gebruikt om te garanderen dat ontstane spanningsniveaus nooit de vloeigrens van het materiaal bereiken.
Voor spanningen onder de vloeigrens, zullen materialen elastisch reageren op belastingen. Dat betekent, dat zij zullen vervormen, maar als de belasting wordt verwijderd, zij naar hun originele vorm zullen terugkeren.
De stijfheid van een materiaal beschrijft hoeveel het materiaal elastisch zal vervormen (de rek) bij een bepaalde toegepaste spanning (deze moet minder zijn dan de vloeigrens). Componenten worden vaak ook beperkt door een maximaal toelaatbare elastische (door)buiging. Materialen met een lage stijfheid tonen grotere vervormingen dan materialen met hoge stijfheid bij dezelfde toegepaste spanning.
Vele constructies of onderdelen worden ontworpen om de mate van doorbuiging te beperken bij belasting. Enkele voorbeelden zijn: | | | Bruggen moeten stijf zijn om buiging onder de aangebrachte belastingen te minimaliseren | Frames van een fiets vereisen hoge stijfheid om reactieve hanteerbaarheid en efficiënte overdracht van de inspanning van de fietser te verzekeren | Stijfheid is essentieel om doorbuiging van vliegtuigvleugels te beperken tijdens de vlucht |
Definitie van de elasticiteitsmodulus (E):
De elasticiteitsmodulus van een materiaal is de meest gebruikelijke eigenschap die wordt gehanteerd om stijfheid te specificeren. Hoe hoger de waarde van E, hoe stijver het materiaal.
De elasticiteitsmodulus van een materiaal kan worden bepaald door het onder trekspanning te belasten in het elastiche gebied en de reactie te meten.
Stijfheid: Schuifspanning en Hydrostatische belasting
De elasticiteitsmodulus is de evenredige constante in de relatie tussen spanning en rek bij elastische vervorming door trek of druk in één richting. Er zijn gelijkwaardige constanten voor andere elastische vervormingen, zoals afschuiving of hydrostatische belasting. Afschuiving is veel voorkomend in vele constructies, bijvoorbeeld een as die belast wordt op torsie.
Definitie van de afschuivingsmodulus:
De afschuivingsmodulus van een materiaal is de verhouding van de afschuifspanning ten opzichte van de afschuifrek voor elastische afschuiving.
De hydrostatische belasting komt vaak voor bij voorwerpen die in vloeistof zijn ondergedompeld.
Definitie van de bulkmodulus:
De bulkmodulus is de verhouding van de hydrostatische spanning ten opzichte van de volumetrische rek voor hydrostatische belasting.
Stijfheid: Poissons verhouding/functie
Een andere belangrijke elastische eigenschap is de dwarscontractie coëfficiënt. Wanneer een materiaal elastisch wordt uitgerekt zullen zijn afmetingen ook in de andere richtingen veranderen. Voor de meeste materialen inclusief aluminiumlegeringen, leidt de uitzetting in één richting tot insnoering in andere richtingen. Dit is belangrijk in het ontwerp wanneer het materiaal wordt verhinderd in dwarsrichting samen te trekken, d.w.z. ook een spanning in de lengte veroorzaakt een spanning in dwarsrichting aangezien het materiaal niet wordt toegestaan samen te trekken of uit te rekken zoals het wenst.
Definitie van de dwarscontractiecoëfficiënt (van Poisson):
De dwarscontractiecoëfficiënt is de verhouding van de dwarsrek ten opzichte van de langsrek wanneer een materiaal elastisch éénassig wordt uitgerekt.
De volgende vier elastische constanten zijn allen verwant:
E - De elasticiteitsmodulus
G - De afschuivingsmodulus
K - De Bulkmodulus ν - De dwarscontractiecoëfficiënt
Als twee van deze constanten bekend zijn, kunnen de andere twee worden afgeleid. 4. Specifieke Eigenschappen I
In veel toepassingen zijn bepaalde mechanische eigenschappen vereist met een minimum gewicht. Om dit te doen, bepalen wij „specifieke“ eigenschappen zoals specifieke stijfheid of specifieke vloeigrens. Specifieke eigenschappen stellen je in staat het lichtste materiaal, dat aan de vereiste eigenschappen voldoet, te identificeren. Dit bespreken we meer in detail bij de "vergelijking van de mechanische eigenschappen".
Overweeg bijvoorbeeld een toepassing waar wij een gegeven sterkte willen bereiken met het minimale gewicht. Dit is een gebruikelijke eis in de transportsector. | Lichte, stijve, en sterke componenten zijn benodigd voor auto's en vliegtuigen | |
Het gewicht van een component hangt af van het gebruikte materiaal en het volume van de component. Wij zijn alleen geïnteresseerd in de verhouding tussen het gewicht en het materiaal en zo elimineren wij het volume van een component door via dichtheid te vergelijken. Dichtheid is een materiaaleigenschap.
Dichtheid is gedefinieerd als massa per eenheid volume (eenheid kg m−3).

5. Vervormbaarheid
Vervormbaarheid is een andere belangrijke materiaaleigenschap.
Definitie:
Vervormbaarheid is gedefinieerd als de capaciteit van een materiaal om tot draad te worden getrokken. Over het algemeen geeft het een maat voor de hoeveelheid plastische vervorming die een materiaal kan ondergaan. Vervormbaarheid is geen materiaaleigenschap, maar hangt af van de afmetingen van het proefstuk.
Er zijn een aantal manieren om vervormbaarheid te meten. Bijvoorbeeld door middel van de rekspanning, dit is het punt waar een materiaal breekt onder trekspanning, dit is één van de indicatoren van vervormbaarheid. Een andere gebruikelijke meetfactor is de vermindering in oppervlakte in de eenduidige doorsnede van een trekstaaf. Merk op dat beide factoren afhankelijk zijn van de geometrie van het proefstuk - dus vervormbaarheid is geen materiaaleigenschap, maar kan slechts worden gebruikt voor vergelijkende doeleinden met proefstukken met een standaardafmeting. Welke meting het meest geschikt is, hangt af van de toepassing.
Merk op dat er een algemene verhouding is tussen vervormbaarheid en taaiheid. Meting van vervormbaarheid wordt meer in detail besproken in de sectie over trek/druk eigenschappen.
Identificeer welke van de proefstukken hieronder van een taai materiaal zijn, en welke van een bros materiaal. 6. Taaiheid
Andere belangrijke mechanische eigenschappen zijn taaiheid en breuktaaiheid.
Hoewel de termen sterkte en taaiheid in het algemene taalgebruik vaak door elkaar worden gebruikt, hebben deze in de materiaalkunde specifieke en zeer verschillende betekenissen.
Definitie:
Taaiheid wordt gedefinieerd als de bestendigheid van een materiaal tegen breuk onder spanning bij kleine plastische vervormingen. Wanneer een scheur in een materiaal overgaat tot breuk, is de taaiheid een maat voor de afgifte van energie per oppervlakte-eenheid van de scheur.
Breuk bij kleine plastische rek komt voor door onstabiele scheurgroei in het materiaal. Vaak ontstaan deze scheuren bij reeds bestaande defecten. Wanneer scheuren op elkaar aansluiten, breekt het materiaal. Taaiheid kan gekwantificeerd worden op diverse manieren afhankelijk van de richting van de belasting met betrekking tot de breukweg. Een maat voor taaiheid omvat bijvoorbeeld scheurbestendigheid, kerfslagwaarde en breuktaaiheid.

Definitie:
De breuktaaiheid wordt gedefinieerd als de bestendigheid van een materiaal tegen onstabiele scheurgroei bij spanningen in het elastische gebied. Scheuren verspreiden zich wanneer de toegepaste spanningsintensiteitsfactor (zie hieronder) een voor het materiaal kritische waarde overschreidt.
Over het algemeen kunnen materialen met een hoge breuktaaiheid de aanwezigheid van kleine defecten verdragen, en zijn deze ook geschikt om grote hoeveelheden energie te absorberen voor zij breken.
Taaiheidseigenschappen grafiek
De materiaaleigenschappen-grafiek hieronder toont de verhouding tussen sterkte en breuktaaiheid voor enkele veelgebruikte constructiematerialen. Merk op dat veel van de sterke materialen (b.v. keramiek) niet erg taai zijn. Aluminiumlegeringen hebben een goede combinatie van sterkte en taaiheid.

Materialen, die uitgebreide plastische vervorming kunnen ondergaan vóór breuk, zoals aluminiumlegeringen en andere metalen, neigen taai te zijn. Materialen, die sterk zijn, maar niet in staat zijn gemakkelijk plastisch te vervormen (zoals keramiek), hebben de neiging bros te zijn.
Meer informatie over gebruik van de materiaaleigenschappen-grafiek, en de relatie tussen sterkte en taaiheid, zijn te vinden in de sectie "Inleiding in de materiaaleigenschappen-grafiek" en "vergelijking van de eigenschappen".

Definitie Taaiheid
Alle praktische materialen bevatten enkele kleine interne defecten (scheurtjes). Als deze scheurtjes gemakkelijk kunnen groeien, voegen zij zich samen en breekt het materiaal op een brosse manier.
Als een scheur groeit, komt de vervormingsenergie van het omringende materiaal vrij. Een scheur groeit sneller wanneer de hoeveelheid vrijgekomen vervormingsenergie, veroorzaakt door scheurgroei, voldoende is om verdere scheurgroei te veroorzaken, waardoor ze zelf-propagerend wordt. Deze kritische waarde van 'vrijkomen van de vervormingsenergie' is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de energie die geabsorbeerd wordt door plastische vervorming. Hoe hoger de maat is, waarbij kritische vervormingsenergie vrijkomt, des te beter een materiaal bestand is tegen onstabiele scheurgroei. De taaiheid is de maat voor de vervormingsenergie die vrijkomt en heeft als symbool Gc.
Definitie:
De taaiheid Gc is de maat voor de hoeveelheid vrijgekomen vervormingsenergie vereist om onstabiele scheurgroei te veroorzaken. Taaiheid wordt gemeten in eenheid J m-2.
Omdat aluminiumlegeringen plastisch kunnen vervormen bij de scheurtip, zijn zij over het algemeen bestand tegen scheurgroei en vertonen daarom een goede taaiheid. Meer details over taaiheid, breuktaaiheid, en de manier waarop deze eigenschappen in de praktijk worden gemeten, wordt geven in de module over de taaiheidsmeting.
Energie zal geabsorbeerd worden door scheurgroei. De hoeveelheid hangt af van de taaiheid van het materiaal. 7. Breuktaaiheid
Breuktaaiheid is een andere manier om de bestendigheid van een materiaal tegen scheurgroei te bepalen.
De mate van vrijkomen van kritische vervormingsenergie is moeilijk in verband te brengen met ontwerpparameters, zoals toegepaste spanning en scheurlengte. In metalen is het gangbaar een andere, maar wel gerelateerde maat te gebruiken - de breuktaaiheid. Dit is de grenswaarde van de toegepaste spanningsintensiteitsfactor, waarbij de scheur zich onstabiel verspreidt. Een scheur leidt tot een lokale concentratie van spanningen aan de scheurtip. Snelle scheurgroei komt voor wanneer de spanning in een scheurtip een kritische waarde overschrijdt. De spanningsintensiteitsfactor (symbool, K) brengt de overschreden toegepaste spanning in verband met de lokale spanning bij de scheurtip. Dit is afhankelijk van de lengte van de scheur, a:
K = Yσ√πa
Waarbij Y een numerieke factor is (dichtheidseenheid), afhankelijk van de details van de scheurgeometrie.
Taaiheid en Breuktaaiheid
De waarde van Kc hangt af van de belastingsomstandigheden, b.v. de richting van toegepaste spanning met betrekking tot de scheur. De breuktaaiheid wordt gewoonlijk gemeten door het bepalen van de kritische spanningsintensiteitsfactor voor "mode I" belasting (scheuropening - d.w.z. de trekspanning loodrecht op het scheurvlak). Deze wordt dan KIc genoemd. Dit is een materiaaleigenschap, onafhankelijk van de geometrie van het proefstuk. Voor meer details over breukgedrag en taaiheid, zie "Eigenschappen in de praktijk".
Taaiheid en breuktaaiheid kwantificeren allebei hetzelfde fenomeen - onstabiele scheurgroei - maar hoe zijn zij aan elkaar gerelateerd?
Taaiheid geeft de mate van vrijkomen van de kritische vervormingsenergie weer (Gc), terwijl breuktaaiheid de kritische spanningsintensiteitfactor (Kc) weergeeft. Waar komt echter de vormveranderingsenergie vandaan?
Deze komt voort uit de elastische spanningen rond de scheur. Taaiheid en vervormingsenergie zijn dus nauw aan elkaar verbonden. De formule, die de twee met elkaar in verband brengt, is:
Kc = (E'Gc) 0.5
Hierbij hangt E' af van de staat van de spanning en deze is gelijk of bijna gelijk aan de elasticiteitsmodulus.
Inslag/ kerfslag test
De taaiheid van materiaal is belangrijk in toepassingen waarin een botsing kan voorkomen - dit om zowel catastrofale breuk te vermijden, als om het veilig absorberen van energie.
Taaiheid en slagvastheid zijn beide gedefinieerd in termen van reeds bestaande scherpe scheuren. Gebruikte taaiheidstesten zijn ook vrij complex. Ontwerpers gebruiken soms ook eenvoudige botsproeven om de bestendigheid van het materiaal tegen breuk te karakteriseren. Deze geven de materiaaleigenschappen niet weer, maar door het gebruik van een standaard geometrie geven zij een goede basis voor het vergelijken van materialen onder belasting door inslag. De meest gebruikte testen zijn de Izod en Charpy beproeving.
Het principe van de kerfslagproef: * Slaghamer en het meten van verandering in de potentiële energie (in Joule) * Een gestandaardiseerd proefstuk wordt gebruikt om een eerlijke vergelijking van energieverschillen weer te geven * Het proefstuk heeft een kerf om de breuk op een gecontroleerde manier te laten beginnen
Een kerfslagtestapparaat waarbij de slinger klaar is om in te slaan. De hoogte, die de slinger bereikt na het breken van het proefstuk, wordt bepaald door het meten van de hoek die de slinger daarbij heeft gemaakt. Verschillende kerfslagwaarde-testen maken gebruik van verschillende proefstukken wat betreft ontwerp en configuratie.
Kerfslagwaarde-testen meten "de arbeid van de breuk". Deze omvat een combinatie van energietermen gerelateerd aan zowel de bruto plastische vervorming, die gebreken produceert, als de energie die deze verspreidt en breuk tot gevolg heeft. Dit betekent dat de resultaten van een kerfslagwaarde-test niet uniek in verband kan worden gebracht met Gc en Kc. Daarentegen is de algemene tendens hetzelfde - materialen met hoge slagvastheid hebben een hoge kerfslagwaarde.
Er is een algemeen verband tussen de vervormbaarheid, de taaiheid en de kerfslagwaarde. "Taai" materiaal verdrijft zijn energie tijdens breuk door plastische vervorming en toont zo over het algemeen grotere vervormbaarheid dan brosse materialen. 8. Vermoeiing
Bij de gedefinieerde materiaaleigenschappen is verondersteld, dat er een statisch toegepaste belasting in één richting aanwezig is.
In de praktijk worden materialen vaak onderworpen aan cyclische belasting. Dit kan leiden tot vermoeiing. Materialen kunnen breken door vermoeiing bij een belasting, die veel lager is dan de belasting welke algemene plastische vervorming veroorzaakt.
Vermoeiing komt voort uit de groei van scheuren onder de toepassing van cyclische belasting. Als een scheur in staat is groot genoeg te worden, zodat de kritische grootte voor onstabiele scheurgroei wordt bereikt, zal er breuk optreden.
Definitie:
Weerstand tegen vermoeiing is de bestendigheid van een materiaal tegen scheurgroei onder de toepassing van cyclische belasting.
Er zijn twee belangrijke algemene categorieën van het vermoeiingsprobleem: 1. Initiatie-gecontroleerd, dit is wanneer de component aanvankelijk geen scheur bevat en het grootste deel van de levensduur gebruikt om een scheur te produceren, voordat deze bezwijkt. 2. Propagatie-gecontroleerd, dit is wanneer de component reeds een scheur bevat en de levensduur afhangt van de mate waarbij deze voortgezet wordt en tot falen leidt.