Binnen de materiaalkunde (maar dit geldt natuurlijk voor alle vakgebieden) worden veel termen gebruikt die voor niet ingewijden moeilijk te bevatten zijn. Hieronder bespreken we enkele veelgebruikte termen. Wanneer we eigenschappen van een materiaal beschrijven, dan hebben we het over:

• Mechanische eigenschappen
• Fysische eigenschappen
• Technologische eigenschappen

 

Mechanische eigenschappen

Sterkte

Wanneer we een constructie bouwen dan willen we weten hoeveel belasting het kan verdragen voordat het instort. Wat we dus willen weten is hoe sterk het materiaal is waarmee we de constructie bouwen.

We nemen als voorbeeld twee staaldraden met een diameter van 1 mm. Draad A is gemaakt van eenvoudig constructiestaal en kan nog net een fiets optillen. Draad B is een pianosnaar (zo’n beetje het sterkste staaldraad dat er is) en kan gemakkelijk een motorfiets optillen. We kunnen in dit voorbeeld dus stellen dat draad B sterker is dan draad A. Omdat we in feite aan het draad trekken, spreken we over de ‘treksterkte’ of ‘trekspanning’. We duiden de trekspanning aan met de Griekse letter σ (sigma).

Helaas zijn niet alle producten zo gemakkelijk met elkaar te vergelijken. Bijna altijd hebben ze verschillende vormen en diktes. Vandaar dat we kijken naar de maximale kracht die het metaal kan verdragen per oppervlakte-eenheid (bijv. per mm²) voordat het breekt. We duiden deze maximale treksterkte aan met de letters R_m (Resistance maximaal) en de eenheid is MPa (MegaPascal). Vroeger was de eenheid N/mm² maar deze is vervangen door de meer internationale eenheid MPa. Gelukkig voor ons is 1 N/mm² gelijk aan 1 MPa.

We bepalen de treksterkte van een materiaal met behulp van een trekproef, waarbij een staafje of een stripje met vaste afmetingen wordt stukgetrokken. De kracht die hiervoor nodig is wordt gemeten.

 

Rek

Wanneer we met een bepaalde kracht (F) aan een materiaal trekken, dan gedraagt het materiaal zich als een elastiek. Het wordt langer en zodra we het materiaal los laten, dan veert het volledig terug naar zijn originele lengte. Dit gedrag noemen we elastische rek of tijdelijke rek. Een goed voorbeeld van een grote elastische rek is elastiek. Wanneer we echter veel harder trekken en weer loslaten, dan zal het materiaal rekken maar niet volledig terugveren. Het materiaal is blijvend langer geworden. Het verschil tussen deze blijvende verlenging en de originele lengte noemen we plastische rek of blijvende rek. Het materiaal rekt dus eerst elastisch, vervolgens plastisch en veert het elastische deel weer terug. Een goede proef om zelf te doen is het buigen van een grote paperclip. Als je de paperclip een klein beetje buigt, zal het volledig terugveren. Als je de paperclip veel buigt, dan zal het slechts gedeeltelijk terugveren.

Bij een constructie is het belangrijk om te weten waar de grens ligt tussen de elastische en de plastisch rek. Denk maar eens aan het een dakconstructie. Ze kunnen veel gewicht opvangen zonder in te storten. Het staal veert in als er extra gewicht (bijv. regenwater of sneeuw) op staat. We willen echter niet dat het dak blijvend inzakt na een hevige regen- of sneeuwbui. We willen dat het dak weer terug kan veren. Hiervoor moeten we dus weten bij welke belasting het staal plastisch vervormt.

Hardheid

We weten allemaal wel wat de begrippen hard en zacht betekenen. Het is echter een stuk moeilijker om aantoonbaar te maken hoe hard of hoe zacht iets daadwerkelijk is. Om materialen met elkaar te kunnen vergelijken is het belangrijk om de hardheid te meten zodat we er een waarde (getal) aan kunnen geven.

Feitelijk komt het er op neer dat een indruklichaam (kogel of de punt van een piramide of kegel) in het oppervlak van een materiaal wordt gedrukt met een bepaalde kracht. De grootte van de indrukking is maat voor de hardheid. De hardheid wordt uitgedrukt met een getal, gevolgd door de letters van de meetmethode, zoals HV (hardheid Vickers), HB (hardheid Brinell) of HR (hardheid Rockwell).

 

Kerftaaiheid

De kerftaaiheid (in de volksmond vaak taaiheid genoemd) is een eigenschap die omschrijft of een materiaal bros of taai is. Bros is het tegenovergestelde van taai.

Een bros materiaal zal weinig rek vertonen en breekt zonder veel te vervormen. Een taai materiaal zal veel rek vertonen en breekt met veel vervorming. Of een materiaal taai of bros zal breken hangt af van veel factoren, zoals:

• temperatuur
• hardheid
• chemische samenstelling

De temperatuur heeft grote invloed op de mate waarin een materiaal bros of taai is. Naarmate de temperatuur daalt wordt een materiaal steeds brosser. Leg maar eens een reep karamel in de diepvries en laat een andere karamel reep gewoon op kamertemperatuur of in de zon. De reep die op kamertemperatuur is kan je gemakkelijk buigen (is dus taai). De bevroren reep zal breken (is dus bros).

Dit gedrag (verbrossing) werd prominent toen, tijdens de tweede wereldoorlog, in Amerika het nieuwe schip USS Shenactady terug was gekomen van een testvaart. Het schip lag in de haven toen, onder ogen van een grote groep aanwezigen, het plotseling en met een luide knal in tweeën brak. Toentertijd was men nog niet bekend met het fenomeen brosse breuk. Tegenwoordig weten we dat het gebruikte ongelegeerde staal (overigens…van slechte kwaliteit) aanzienlijk brosser was geworden door de winterse temperaturen.

 

Fysische eigenschappen

Dichtheid

Onder dichtheid; verstaan we de massa (gewicht) van een voorwerp per volume-eenheid (zoals kubieke meter; m³). De dichtheid wordt ook wel ‘soortelijke massa’ of ‘soortelijk gewicht’ genoemd.

We nemen als voorbeeld een vierkant blok (kubus) staal van 1 m x 1 m x 1 m. Dit blok heeft een volume van 1 m³. Het gewicht van dit blok is 7800 kg.
We noteren dit als 7800 kg/m³ (kilogram per kubieke meter).
Dit is gelijk aan: 7,8 kg/dm³
In tabel hiernaast staan enkele dichtheden voor veelgebruikte metalen (ongelegeerd).

De dichtheid ρ (rho) wordt uitgedrukt in kg/m³ of een afgeleide daarvan. Verwarrend is het feit dat de letter ρ ook wordt gebruikt voor het aanduiden van de elektrische geleidbaarheid.

 

Elektrische geleidbaarheid

Onder elektrische geleidbaarheid verstaan we het vermogen van een stof om een elektrische stroom te geleiden. We spreken bij metalen meestal niet over hoe goed het de elektriciteit geleidt, maar hoeveel weerstand het metaal biedt tegen het geleiden van de elektrische stroom. Om verschillende metalen te kunnen vergelijken is het ook hier van belang om de weerstand per eenheid te bepalen. We spreken dan van de ‘soortelijke weerstand’. Een metaal dat de elektriciteit goed geleid (een goede geleider) heeft een lage soortelijke weerstand. Bekende goede geleiders zijn o.a. zilver, koper, goud en aluminium. Een metaal dat de elektriciteit slecht geleid heeft een hoge soortelijke weerstand. Slechte geleiders zijn bijvoorbeeld kunststoffen en rubbers.

De soortelijke weerstand ρ (rho) wordt uitgedrukt in μΩ.cm (micro-ohm maal centimeter) of een afgeleide daarvan. Verwarrend is het feit dat de letter ρ ook wordt gebruikt voor het aanduiden van de dichtheid.

 

Thermische geleidbaarheid

Onder thermische geleidbaarheid (ook wel ‘warmtegeleidend vermogen’ genoemd) verstaan we het vermogen van een stof om warmte te geleiden. De geleidbaarheid is afhankelijk van de temperatuur, dichtheid en het vochtgehalte.

Een metaal dat de warmte goed geleid heeft een hoge thermische geleidbaarheid. Bekende metalen met een goede thermische geleidbaarheid zijn: zilver, goud, koper en aluminium. Een metaal dat de warmte slecht geleid heeft een lage thermische geleidbaarheid. Bekende metalen dat een minder goede thermische geleidbaarheid zijn: staal en lood.

Het warmtegeleidend vermogen λ (lambda) wordt uitgedrukt in W/m.K (Watt per meter maal Kelvin) of een afgeleide daarvan.

NB: 1 Kelvin = 1 °C en 0 Kelvin is ca. –273 °C.

 

Uitzettingscoëfficiënt
Onder uitzettingscoëfficiënt verstaan we de toename van het volume onder invloed van temperatuur. De lineaire uitzettingscoëfficiënt α (alfa) wordt uitgedrukt in μm.m/K (micrometer per meter per Kelvin) of een afgeleide daarvan.

De α-waarde geeft dus aan hoeveel micrometer een materiaal met een lengte van 1 meter langer wordt bij een temperatuurstijging van één Kelvin ofwel één graad Celsius (1 K = 1°C). In de meeste gevallen is de α-waarde afhankelijk van de temperatuur. Hierdoor is geen éénduidige waarde aan te geven. Daarom wordt vaak een gemiddelde waarde genomen over een temperatuurstijging van 100°C. Het wordt dan aangeduid als α _{0°C – 100°C} = 17,3 μm.m/K en staat voor de gemiddelde uitzetting van 0 °C tot 100 °C.

Een metaal dat veel uitzet door opwarming heeft een hoog uitzettingscoëfficiënt. Bekende metalen met een hoog uitzettingscoëfficiënt zijn zink, tin en magnesium. Metalen die weinig uitzetten door opwarming hebben een laag uitzettingscoëfficiënt, zoals Invar (een speciale nikkel-ijzerlegering), wolfraam en molybdeen.

 

Technologische eigenschappen

Verspaanbaarheid

Onder verspaanbaarheid verstaan we de mate waarin een materiaal goed te bewerken is door een verspanende bewerking. De verspaanbaarheid van een materiaal is afhankelijk van veel factoren, zoals de mechanische eigenschappen. Aan verspaanbaarheid kunnen we geen getal hangen zoals bij de fysische eigenschappen. Een verspanende bewerking is een bewerking waarbij kleine stukjes materiaal van het werkstuk worden verwijderd. De verwijderde stukjes materiaal noemen we ‘spanen’. Voorbeelden van een verspanende bewerking zijn onder andere draaien, frezen en slijpen.

We kunnen in sommige gevallen de verspaanbaarheid van een materiaal verbeteren, door bijvoorbeeld te legeren. Bekende voorbeelden hiervan zijn automatenstaal of de zogenaamde IM kwaliteiten (Improved Machinability; verbeterde verspaanbaarheid). Er zijn ook aluminiumkwaliteiten en koperlegeringen die speciaal gelegeerd zijn voor een verbeterde verspaanbaarheid (automatenkwaliteit).

 

Lasbaarheid

Onder lasbaarheid verstaan we de mate waarin het materiaal goed te lassen is zonder dat de las bros wordt. Onder lassen verstaan we het verbinden van twee stukken materiaal door de te verbinden oppervlakten bij elkaar te brengen, te smelten en te stollen zodat het één geheel is geworden. Tijdens het smelten wordt in de meeste gevallen extra metaal (zogenaamd lasdraad) mee gesmolten voor een betere lasverbinding (bijvoorbeeld volumineuzer en het toevoegen van legeringselementen).

 

Auteur: Wonnie van Beek

Dit hoofdstuk is onderdeel van onze opleiding, klik hier voor meer informatie

Wil u meer weten over de MCB Campus? download dan hier onze brochure