Materiaalkunde

2 Inleiding Materialen: De mens zoekt al sinds oudheid naar materialen die bruikbaar zijn voor het vervaardigen van hulpmiddelen en gereedschappen om de arbeid te verlichten. Het stenen tijdperk en het bronzen tijdperk herinneren hier aan. In het dagelijks leven kom je al veel apparaten en machines tegen die de arbeid verlichten. Als je alleen al kijkt naar vervoer zie je al auto's, schepen, vliegtuigen enz. De werktuigbouwkunde houdt zich bezig met het ontwerpen, vervaardigen, installeren, beproeven, bedienen en onderhouden van gereedschappen, machines en installaties die nodig zijn voor het maken van allerlei producten.Vooral voor het ontwerpen en vervaardigen van gereedschappen, installaties en machines is kennis van het gedrag en eigenschappen van materialen van groot belang. De werktuigbouwkunde moet zich hierbij steeds de volgende vragen stellen: - Welke eigenschappen moeten de te gebruiken materialen hebben? - Welke materialen voldoen hieraan? - Hoe kunnen de gekozen materialen bewerkt worden? - Moeten de te gebruiken materialen aangepast worden aan de bewerkingsmethode? Men zegt eigenlijk al te snel, als ze geen kennis van materialen hebben, dat iets gemaakt is van bijv. ijzer, koper, hout en dergelijke. Dit is eigenlijk te algemeen en in de meeste gevallen gewoon fout. Meestal als men iets van ijzer noemt, is dit in werkelijkheid staal. En van staal zijn zeer veel verschillende kwaliteit in de handel. In de werktuigbouwkunde wordt een grote verscheidenheid aan materialen gebruikt. De werktuigbouwkunde moet van de toegepaste materialen heel wat weten. 3 Het doel van materiaalbeproevingen: Het onderzoeken van materialen heeft tot doel vast te legen wat het verband is tussen materiaalsamenstelling en de bijbehorende eigenschappen. De methode van onderzoeken speelt daarbij een grote rol. Bij destructief materiaalonderzoek wordt eerst een monster genomen in de vorm van een proefstaaf. Deze proefstaaf wordt vervolgens vervormd, beschadigd of stuk gemaakt. Met deze methode van onderzoek kunnen mechanische eigenschappen als sterkte en hardheid worden vastgesteld. Veel van deze proeven zijn genormaliseerd en betrekkelijk snel en eenvoudig uitvoerbaar. De trekproef en de hardheidsmeting zijn de meest voorkomende vormen van destructief materiaalonderzoek. Bij niet-destructief materiaalonderzoek wordt het te onderzoeken materiaal of werkstuk niet vervormd of beschadigd. Men past deze methode toe bij het opsporen van zeer kleine scheurtjes in het materiaal, het vaststellen van verschillen in diktes en het opsporen van materiaalfouten zoals slakinsluiting bij het lassen en krimpholten bij het gieten. Voorbeelden van niet-destructief materiaalonderzoek zijn ultrasoon- en röntgenonderzoek. Deze proeven worden uitgevoerd met zeer gevoelig meetapparatuur en vergen veel tijd. Daarom zijn deze proeven erg kostbaar.
4a Proeven bij destructief onderzoek: 1. Hardheidsmeting (Brinell) - Geeft inzicht in de hardheid van materialen. Door met een bepaalde kracht gedurende een bepaalde tijd een kogeltje in het materiaal te drukken, kan na opmeting van de indrukking vastgesteld worden hoe groot de hardheid is. 2. Hardheidsmeting (Poldihamer) - Geeft inzicht in de hardheid en treksterkte van materialen. Doordat een kogel een indrukking achterlaat in zowel het materiaal als de ijkstaaf, is de hardheid na opmeting als Brinellwaarde af te lezen in een tabel; in de tabel is ook te treksterkte aangegeven. 3. Hardheidsmeting (Rockwell) - Geeft inzicht in de hardheid van materialen. Door met een bepaalde kracht gedurende tijd een stalen kogel of diamanten kegel in het materiaal te drukken, kan door aflezing van een schaalverdeling de hardheid bepaald worden. 4. Hardheidsmeting (Vickers) - Geeft inzicht in de hardheid van materialen. Door met een bepaalde kracht gedurende een bepaalde tijd een piramidevormige diamant in het materiaal te drukken, kan nu het opmeting van de indrukking vastgesteld worden hoe groot de hardheid is. 5. Kerfslagproef - Geeft inzicht in de kerfslagtaaiheid van materialen. Door het stukslaan van een proefstaaf kan vastgesteld worden hoeveel energie nodig is om het materiaal te breken. 6. Trekproef - Geeft inzicht in treksterkte, rek en elasticiteitsmodules. Door het vervormen en kapot trekken van een proefstaaf worden de materiaaleigenschappen en beeld gebracht. 4b Proeven bij niet-destructief onderzoek: 1. Magnetisch onderzoek - Geeft inzicht in fouten aan en dicht onder het oppervlak van ferromagnetische materialen. (Zie afbeelding 1) Het te onderzoeken materiaal bevat geen fouten. De veldlijnen lopen ongehinderd door het werkstuk. In het werkstuk zijn onregelmatigheden aanwezig. De veldlijnen worden verstoord. Het ijzerpoeder op het werkstuk zal een afwijkend patroon te zien geven. (Afbeeling 1) 2. Penetrant onderzoek – Geeft inzicht in de aan- of afwezigheid van haarscheuren aan het oppervlak van materialen. Door het inwikkelen van de achtergebleven penetrante vloeistof worden haarscheurtjes met zeer geringe afmetingen zichtbaar. (zie afbeelding 2) (Afbeeling 2) 3. Radiografisch onderzoek – Geeft inzicht in fouten die onder het oppervlak aanwezig zijn. Door elektromagnetische golven door het materiaal te stralen en vast te leggen op een fluoriserend scherm of fluoriserende film, wordt zichtbaar of er een afwijking aanwezig is. 4. Ultrasoon onderzoek – Geeft inzicht in inwendige materiaalfouten. Door geluidsgolven door het materiaal te zenden en zichtbaar te maken, worden afwijkingen zichtbaar gemaakt. 5 Beschrijving trekproef: 1. Doel – Met behulp van een trekproef ie het mogelijk de treksterkte en de rek van een materiaal te bepalen. Deze gegevens zijn bijvoorbeeld nodig om te controleren of een materiaal aan gestelde normen voldoet en om vast te stellen of het sterk genoeg is en niet teveel plastisch vervormt. Men maakt van het te controleren materiaal een trekproefstaaf die op een trekbank wordt stukgetrokken. De kracht die daarvoor nodig is, is bepalend voor de sterkte van het materiaal. Tijdens het uitvoeren van de trekproef registreert de trekbank een trekdiagram ook wel spaning-rek-diagram genoemd. 2. Definitie (Treksterkte) – Onder treksterkte van een materiaal verstaan we de spanning bij de maximale belasting tijdens de trekproef. 3. Definitie (Rek na breuk) – Onder rek na breuk verstaan we de verhouding tussen de blijvende verlenging na het breken van de proefstaaf en de oorspronkelijke meetlengte. 4. Definitie (Hardheid) – Onder de hardheid van een materiaal verstaan we de weerstand die het biedt tegen blijvende vervorming door indrukking, veroorzaakt door een voorwerp (indruklichaam) met een bepaalde vorm waarop een bepaalde kracht werkt. 5. Uitvoering trekproef (Proefstaven) – Een trekproefstaaf heeft een ronde, rechthoekige of vierkante dwarsdoorsnede en is aan de uiteinden voorzien van bredere inklemeinden. De ronde staven hebben een diameter van minimaal 4 mm en maximaal 30 mm. Bij rechthoekige staven is de verhouding van dikte en breedte 1:4. Op de proefstaaf is met merktekens (streepjes of putjes) de meetlengte L0 aangegeven. We noemen deze de oorspronkelijke meetlengte. Na de trekproef wordt deze lengte opnieuw gemeten, waarna men de verlenging kan bepalen en daarna de rek berekenen. 6. Uitvoering trekproef (Uitvoering van de proef) – De trekproefstaaf wordt met behulp van speciale inspankoppen in de trekbank gespannen en vervolgens met een geleidelijk toenemende kracht op trek belast. De staaf wordt daarbij uitgerekt en breekt bij een bepaalde belasting. Op de trekbank is registratie – apparatuur aangebracht waarmee men kan aflezen bij welke kracht de staaf is gebroken. 7. Berekeningen (treksterkte) – We kunnen nu de trekspanning in de staaf berekenen. De trekspanning bij de maximale kracht Fm van het beproefde materiaal noemen we de treksterkte. Deze volgt dan uit de formule: Formule
Rm = Fm/A0
Waarin: Rm = treksterkte in N/mm2; Fm = grootste kracht die tijdens de proef op de proefstaaf heeft gewerkt in N; A0 = oppervlakte van de oorspronkelijke staafdwarsdoorsnede in mm2. 8. Berekeningen (rek) – Leggen we na de proef de delen van de proefstaaf tegen elkaar, dan blijkt de afstand tussen de merktekens groter zijn dan voor de proef. De meetlengte na de proef geven we aan met Lu. De uitreiking bedraagt: L = Lu – L0
waarin: L = de blijvende verlenging na breuk in mm; Lu = de meetlengte na breuk in mm

De blijvende verlenging L wordt uitgedrukt in een percentage van de oorspronkelijke meetlengte van Lo. Deze heet de rek na breuk (ook wel breukrek) en wordt aangegeven met de letter . Formule  = L/L0  100%  = Lu – L0/L0  100% waarin:  = de rek na de breuk
Lu = de meetlengte na breuk in mm; L0 = de oorspronkelijke breuk in mm. 9. Definitie (stijf) – Onder de stijfheid van een materiaal verstaan we de weerstand die het biedt tegen elastische vormgeving. 10. Definitie (stug) – De stugheid is de weerstand tegen plastische vervorming. 11. Definitie (sterk) – De sterkte is de weerstand die het materiaal biedt tegen het verbreken van de samenhang. 12. Definitie (taai) – De taaiheid is de mate waarin een materiaal plastisch vervormd kan worden voor een breuk optreedt. 13. Meetlijst + grafieken + conclusies 6 Beschrijving hardheidsproef van Rockwell: 1. Doel – Het doel van de hardheidsmeting van Rockwell is het kijken hoe hard het materiaal is bij een bepaalde kracht. 2. Definitie – Onder een hardheid van materiaal verstaan we de weerstand die het biedt tegen blijvende vervorming door indrukking. 3. Uitvoering hardheidsproef – Bij de hardheidsmeting volgens Rockwell gebruikt men als indruklichaam een stalen kogel of een diamanten kegel. De diepte van de indrukking is een maat voor de hardheid. De hardheid wordt direct op een meetklok afgelezen. De dikte van het proefstuk moet voor staal ten minste 10 maal de diepte van de blijvende indrukking zijn. 4. Indruk lichaam – De stalen kogel heeft een diameter van 1,5875 mm (1/16” ; 1” = 25,4 cm). Deze wordt gebruikt bij hardheidsmetingen van zachte materialen, zoals zacht staan en non-ferrometalen. De diamanten kegel heeft een tophoek van 120 met afgeronde punt. (De straal van de afronding is 0,2mm.) De kegel wordt toegepast voor harde en zeer harde materialen. 5. Aanduiding – De hardheid wordt aangegeven met het symbool HR gevolgd door de letter van de toegepaste hardheidsschaal en voorafgegaan door de hardheidswaarde. 6. Voordelen: - De methode is geschikt voor harde en zachte metalen - Een geringe beschadiging - De hardheid kan direct afgelezen worden - De meting kost weinig tijd
Nadelen: - De hardheidsschalen zijn niet onderling vergelijkbaar - Het materiaal moet droog en schoon zijn - Niet homogeen materiaal is minder geschikt - De proef moet meerdere malen uitgevoerd worden 7 Beschrijving Kerfslagproef: 1. Doel – Van materialen die worden toegepast voor machine-onderdelen en constructies die stotend worden belast, onderzoekt men ze in hoeverre ze daartegen bestand zijn. 2. Definitie – Kerfslagwaarde = Slagarbeid / oorspronkelijke oppervlakte van de staafdwarsdoorsnede
Kerfslagwaarde = m • g • (h1 – h2) / A0
3. Uitvoering hardheidsproef – Het toestel waarmee de kerfslagproef volgens Charpy word uitgevoerd, is afgebeeld in figuur 1. In dit toestel wordt een proefstaafje, door een slingerhamer of valhamer, in één slag stukgeslagen. Daarbij meet men de enrgie die nodig is om het staafje te breken. Deze hamer is aan het uiteinde scharnierend opgehangen. Vanaf een bepaalde hoogte laat men hem vallen tegen een proefstaafje dat aan de uiteinden rust tegen een steunvlak. De vorm en afmetingen van het proefstaafje zijn genormaliseerd. Men heeft daarbij de keuze uit 2 typen: - staafje met een U-vormige sleuf; - staafje met een V-vormige kerf. 4. Aanduiding – In de ISO-aanduiding van de kerfslagwaarde wordt de waarde voorafgegaan door de letters KC, U of V, afhankelijk van het type proefstaaf (U-vormige of V-Vormige groef), dus KCU of KCV. Voorbeeld – 5. Invloed van de temperatuur – Kerslagproeven worden uitgevoerd bij een temperatuur van 20 oC (kamertemperatuur), tenzij een andere temperatuur is voorgeschreven. Omdat vele metalen minder taai zijn bij lage en zeer lage temperaturen, kan het in bepaalde gevallen nuttig zijn te weten in welke mate de taaiheid afneemt bij afnemende temperatuur. In die gevallen voert men de kerfslagproef uit bij verschillende temperaturen. De kerslagproef wordt ook toegepast om te zien in hoeverre warmtebehandelingen invloed hebben op de taaiheid en ook in hoeverre de structuur van het materiaal verandert voorzover dat op het breukvlak zichtbaar is. Door legeren van metalen is het mogelijk de taaiheid gunstig te beïnvloeden. 6. Taai – Bros – - Taai – Het breukvlak is min of meer vezelig van aard en dof. Dit type breuk ontstaat bij kleine kerfslagwaarde. - Bros – Het breukvlak is redelijk vlak en weinig of niet gedeformeerd. Het heeft een glinsterend oppervlak door de zichtbare kristallen. Dit type breuk ontstaat bij grote kerfslagwaarde. 7. Meetlijst + Grafieken + Conclusies 8 Beschrijving ultrasoon methode: 1. Doel – Met geluidsgolven kunnen fouten worden opgespoord die onder het materiaal oppervlak liggen. De gevonden fouten kunnen op een beeldscherm zichtbaar gemaakt worden (zie afb. 3). (Afbeelding 3) 2. Uitvoering – Voor het uitvoeren van een ultrasoon onderzoek maakt men gebruik van een zogenaamde taster waarin twee kristallen zijn gemonteerd, die daarmee als zender en als ontvanger kunnen fungeren (S.E.-taster). Het zender- en ontvanger gedeelte zijn gescheiden van elkaar. Plaatst men de taster op het te onderzoeken materiaal, dan zullen de uitgezonde geluidsgolven door het materiaal heendringen. Kopieer dit en plak het in word, nu zullen de formules wel kloppen (hoop ik)