Uitgebreide gids tot technische materialen: Algemene, fysieke en mechanische eigenschappen

In dit artikel bespreken we: 1. Algemene eigenschappen van technische materialen 2. Fysieke eigenschappen van technische materialen 3. Mechanische eigenschappen.

Algemene eigenschappen van technische materialen

Economen die met name betrokken zijn bij de industrieën die technische materialen produceren, zijn geïnteresseerd in manieren waarop technische materialen op de beste economische manier gebruikt of toegepast kunnen worden. De econoom moet werkende kennis hebben van eigenschappen en productieprocessen van diverse technische materialen.

De diensten van zo'n econoom kunnen van uiterste nut zijn bij het maken van keuzes van technische materialen onder specifieke omstandigheden of bij het beslissen over de productielijn van technische materialen uit de beschikbare lokale grondstoffen.

Zulke eigenschappen kunnen in diverse categorieën worden ingedeeld als volgt:

(1) Chemische Eigenschappen:

De chemische eigenschappen van het materiaal suggereren de neiging van het materiaal om zich met andere stoffen te combineren, zijn reactiviteit, oplosbaarheid en effecten zoals corrosie, chemische samenstelling, zuurgraad, alkalijnheid, enz. Corrosie is een van de ernstige problemen waar ingenieurs geconfronteerd worden bij het selecteren van technische materialen, veroorzaakt door chemische eigenschappen van metaal.

In metalen zijn valentie-elektronen los gebonden aan hun atomen en kunnen gemakkelijk worden verwijderd tijdens chemische reacties. Dus, wanneer metalen in de atmosfeer blootgesteld worden en in contact komen met gassen zoals zuurstof, chloor, enz., vinden chemische reacties plaats. Wanneer ijzer reageert met zuurstof, wordt ijzeroxide gevormd wat rood van kleur is en het ijzermetaal wordt ermee bedekt. Dit heet corrosie.

(2) Elektrische Eigenschappen:

Deze eigenschappen duiden op de capaciteit van het materiaal om de stroom van een elektrische stroom te weerstaan en omvatten geleidbaarheid, dielectrische sterkte en resistiviteit.

(3) Magnetische Eigenschappen:

De studie van magnetische eigenschappen van het materiaal zoals permeabiliteit, hysteresie en coercitieve kracht is vereist wanneer het voor generatoren, transformatoren, enz. moet worden gebruikt.

(4) Mechanische Eigenschappen:

De kenmerken die het gedrag van materiaal regeren wanneer externe krachten worden toegepast, zijn inbegrepen in deze eigenschappen. Enkele van de belangrijke mechanische eigenschappen zijn elasticiteit, hardheid, plasticiteit, sterkte, enz.

(5) Optische Eigenschappen:

Wanneer het materiaal voor optisch werk moet worden gebruikt, is kennis van de optische eigenschappen zoals kleur, lichtdoorlaatbaarheid, brekingsindex, reflectiviteit, enz. noodzakelijk. Wanneer licht een materiaal raakt, interageert het met de atomen en veroorzaakt diverse typen effecten. Het licht kan gereflecteerd, gebroken, verstrooid of geabsorbeerd worden. De studie van licht in materialen en hoe dit gedrag gebruikt kan worden om diverse lichteffecten te controleren, heet optica.

(6) Fysieke Eigenschappen:

Deze zijn vereist om de toestand van het materiaal te evalueren zonder enige externe kracht die op het materiaal werkt en omvatten bulkdichtheid, duurzaamheid, porositeit, enz.

(7) Thermische Eigenschappen:

Kennis van thermische eigenschappen van het materiaal zoals specifieke warmte, thermische uitrekking en geleidbaarheid is nuttig bij het weten van de reactie van het materiaal op thermische veranderingen. Dus kunnen geschikte materialen worden geselecteerd om wisselende en hoge temperaturen te weerstaan.

(8) Technologische Eigenschappen:

De eigenschappen van metalen en legeringen die een invloed hebben op hun verwerking of toepassing, heeten technologische eigenschappen. Gietbaarheid, bewerkbaarheid, lasbaarheid en bewerkbaarheid zijn enkele van de significante technologische eigenschappen van metalen en legeringen.

Van al zulke eigenschappen zijn de fysieke eigenschappen en mechanische eigenschappen bijzonder belangrijk voor een bouwingenieur.

Fysieke eigenschappen van technische materialen

De volgende termen in verband met de fysieke eigenschappen van technische materialen worden gedefinieerd en uitgelegd:

(1) Bulkdichtheid

(2) Chemische weerstand

(3) Verzachtingscoëfficiënt

(4) Dichtheid

(5) Dichtheidsindex

(6) Duurzaamheid

(7) Brandweerstand

(8) Vorstbestendigheid

(9) Hygroskopischheid

(10) Porositeit

(11) Refractorischheid

(12) Spallingweerstand

(13) Specifieke warmte

(14) Thermische capaciteit

(15) Thermische geleidbaarheid

(16) Waterabsorptie

(17) Waterdoorlatendheid

(18) Weerbestendigheid.

(1) Bulkdichtheid:

De term bulkdichtheid wordt gebruikt om de massa van een eenheidsvolume van materiaal in zijn natuurlijke toestand te betekenen, d.w.z. inclusief poriën en gaten. Het wordt verkregen door de verhouding te bepalen van de massa van het monster tot het volume van het monster in zijn natuurlijke toestand.

De technische eigenschappen van het materiaal zoals sterkte, warmtegeleiding, enz. worden in grote mate beïnvloed door de bulkdichtheid en daarom zal de prestatie-efficiëntie van een materiaal afhangen van zijn bulkdichtheid.

Voor de meeste materialen is de bulkdichtheid kleiner dan de dichtheid, uitgezonderd voor dichte materialen, vloeistoffen en materialen verkregen uit gesmolten masses.

Tabel 1-1 toont de bulkdichtheden van enkele van de belangrijke bouwmaterialen.

(2) Chemische Weerstand:

De capaciteit van materiaal om de actie van zuren, basen, gassen en zoutoplossingen te weerstaan, wordt gekend als zijn chemische weerstand.

Deze eigenschap wordt zorgvuldig onderzocht tijdens het selecteren van materiaal voor rioolpijpen, waterbouwinstallaties, sanitaire voorzieningen, enz.

(3) Verzachtingscoëfficiënt:

De verhouding van de druksterkte van materiaal verzadigd met water tot die in droge toestand, wordt gekend als de verzachtingscoëfficiënt. Materialen zoals glas en metaal worden niet beïnvloed door de aanwezigheid van water en hun verzachtingscoëfficiënt is één. Aan de andere kant verliezen materialen zoals klei gemakkelijk hun sterkte wanneer ze in water geweek worden en dus is hun verzachtingscoëfficiënt nul.

Materialen met een verzachtingscoëfficiënt gelijk aan 0,8 of meer worden aangeduid als waterwerende materialen. Het is raadzaam het gebruik van materialen met een verzachtingscoëfficiënt minder dan 0,8 te vermijden voor situaties die permanent blootgesteld zijn aan de actie van vocht.

(4) Dichtheid:

De term dichtheid van een materiaal is gedefinieerd als de massa van een eenheidsvolume van homogeen materiaal. Het wordt verkregen door de verhouding te berekenen van de massa van het materiaal tot het volume van het materiaal in homogene toestand. De fysieke eigenschappen van een materiaal worden in grote mate beïnvloed door de dichtheid.

(5) Dichtheidsindex:

De verhouding van de bulkdichtheid van een materiaal tot de dichtheid ervan wordt gekend als de dichtheidsindex en duidt dus de graad aan waarin het volume gevuld is met vast stof.

Aangezien er praktisch geen dichte stoffen in de natuur zijn, is de dichtheidsindex van de meeste bouwmaterialen kleiner dan één.

(6) Duurzaamheid:

De eigenschap van een materiaal om de gecombineerde actie van atmosferische en andere factoren te weerstaan, wordt gekend als de duurzaamheid.

De lopende of onderhoudskosten van een gebouw zullen natuurlijk afhangen van de duurzaamheid van de materialen waaruit het samengesteld is.

(7) Brandweerstand:

De term brandweerstand wordt gebruikt om de capaciteit van een materiaal te betekenen om de actie van hoge temperatuur te weerstaan zonder zijn lastdragende capaciteit te verliezen, d.w.z. zonder substantiële verlies van sterkte of vervorming in vorm.

Deze eigenschap van een materiaal is van groot belang in geval van brand en aangezien de brandbestrijding meestal vergezeld wordt door water, wordt deze eigenschap van een materiaal getest door de gecombineerde acties van hoge temperatuur en water. Het materiaal moet voldoende brandvast zijn om veiligheid en stabiliteit in geval van brand te garanderen.

(8) Vorstbestendigheid:

De capaciteit van een waterverzadigd materiaal om herhaald bevriezen en ontdooien zonder aanzienlijke afname van mechanische sterkte of zichtbare tekens van falen te weerstaan, wordt gekend als de vorstbestendigheid. De vorstbestendigheid van een materiaal hangt af van de dichtheid van het materiaal en zijn graad van verzadiging met water.

In het algemeen zijn dichte materialen vorstbestendig. Porieuze materialen wiens poriën gesloten zijn of met water gevuld tot minder dan 90% van hun volume zijn vorstbestendig.

(9) Hygroskopischheid:

De eigenschap van een materiaal om waterdamp uit de lucht te absorberen, wordt gekend als de hygroskopischheid en wordt bepaald door de aard van de betrokken stof, aantal poriën, luchttemperatuur, relatieve vochtigheid, enz. Waterbehoudende of hydrofiele stoffen lossen gemakkelijk in water op.

(10) Porositeit:

De term porositeit wordt gebruikt om de graad aan te duiden waarmee het volume van een materiaal door poriën wordt ingenomen. Het wordt uitgedrukt als een verhouding van het volume van poriën tot dat van het monster. De porositeit van een materiaal is indicatief voor diverse eigenschappen zoals sterkte, bulkdichtheid, waterabsorptie, thermische geleidbaarheid, duurzaamheid, enz., en moet daarom zorgvuldig bestudeerd en geanalyseerd worden.

(11) Refractorischheid:

De capaciteit van een materiaal om langdurige actie van hoge temperatuur te weerstaan zonder te smelten of vorm te verliezen, wordt gekend als de refractorischheid.

(12) Spallingweerstand:

De capaciteit van een materiaal om een bepaald aantal cycli van scherpe temperatuurswisselingen te doorstaan zonder te falen, wordt gekend als de spallingweerstand en hangt voornamelijk af van de lineaire uitrekkingscoëfficiënten van zijn bestanddelen.

(13) Specifieke Warmte:

De term specifieke warmte is gedefinieerd als de hoeveelheid warmte, uitgedrukt in kilocaloriën, vereist om 1 N van materiaal met 1°C te verwarmen. De specifieke warmte van een materiaal moet overwogen worden wanneer warmte-accumulatie in aanmerking moet worden genomen.

De specifieke warmten van staal, steen en hout zijn als volgt:

Staal – 0,046 × 10³ J/N °C

Steen – 0,075 tot 0,09 × 10³ J/N °C

Hout – 0,239 tot 0,27 × 10³ J/N °C.

(14) Thermische Capaciteit:

De eigenschap van een materiaal om warmte te absorberen, wordt gekend als de thermische capaciteit en wordt berekend met de volgende vergelijking –

T = H / M (T₂ – T₁)

Waar, T = Thermische capaciteit in J/N °C

H = Hoeveelheid warmte vereist om de temperatuur van het materiaal van T₁ tot T₂ te verhogen in J

M = Massa van het materiaal in N

T₁ = Temperatuur van het materiaal vóór verwarmen in °C

T₂ = Temperatuur van het materiaal na verwarmen in °C.

(15) Thermische Geleiding:

De thermische geleidbaarheid van een materiaal is de hoeveelheid warmte in kilocaloriën die door een eenheidsoppervlakte van het materiaal met een eenheidsdikte in een eenheidstijd zal stromen wanneer het temperatuurverschil op de vlakken ook één is. De eenheid van thermische geleidbaarheid is J per m uur °C en wordt meestal aangeduid met K. De thermische geleidbaarheid van een materiaal hangt af van de dichtheid, porositeit, vochtgehalte en temperatuur.

De term thermische weerstand van een materiaal wordt gebruikt om de reciproke van de thermische geleidbaarheid te betekenen. De thermische weerstand van een materiaal is gelijk aan de thermische weerstand vermenigvuldigd met de dikte.

(16) Waterabsorptie:

De capaciteit van een materiaal om water te absorberen en te behouden, wordt gekend als de waterabsorptie. Het droge materiaal wordt volledig in water gedompeld en de waterabsorptie wordt berekend als percentage van gewicht of percentage van volume van het droge materiaal. Het hangt voornamelijk af van het volume, de grootte en de vorm van poriën, aanwezig in het materiaal.

(17) Waterdoorlatendheid:

De capaciteit van een materiaal om water onder druk door te laten, wordt gekend als de waterdoorlatendheid en wordt beschreven als de hoeveelheid water die in één uur door het materiaal zal passeren bij constante druk, het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster zijnde 1 cm. Dichte materialen zoals glas, staal, enz. zijn waterdicht of ondoorlatend voor water.

(18) Weerbestendigheid:

De term weerbestendigheid wordt gebruikt om de capaciteit van een materiaal uit te drukken om afwisselende natte en droge omstandigheden te weerstaan zonder de vorm en mechanische sterkte ernstig te beïnvloeden. Het geeft dus het gedrag van materialen aan wanneer ze blootgesteld worden aan veranderende vochtigheidsomstandigheden.

Mechanische eigenschappen van technische materialen

De mechanische eigenschappen van materialen zoals hun stijfheid, duktiliteit en sterkte zijn van vitaal belang bij het bepalen van hun bewerking en mogelijke praktische toepassingen.

Bouwmaterialen tonen een wijd bereik van mechanische eigenschappen variërend van de hardheid van diamant tot de duktiliteit van zuiver koper en het verbazingwekkende elastische gedrag van rubber. Op een vergelijkbare manier gedragen veel materialen zich heel anders wanneer ze op verschillende manieren gespannen worden. Bijvoorbeeld, gietijzer, cement en stenen zijn veel sterker onder druk terwijl hout en staal sterker zijn onder trek.

De volgende termen in verband met de gemeenschappelijke mechanische eigenschappen van bouwmaterialen worden gedefinieerd en uitgelegd:

(1) Slijtage

(2) Kruip

(3) Elasticiteit

(4) Vermoeidheid

(5) Hardheid

(6) Slagsterkte

(7) Plasticiteit en broosheid

(8) Sterkte

(9) Slijtage.

(1) Slijtage:

De weerstand van een materiaal tegen slijtage wordt bepaald door het gewichtsverschil van monsters vóór en na slijtage te delen door het oppervlak van de slijtage.

(2) Kruip:

In veel toepassingen moeten bouwmaterialen constante belasting voor lange periodes weerstaan. Onder dergelijke omstandigheden kan het materiaal blijven vervormen tot de bruikbaarheid ernstig wordt verminderd. Zulke tijdsafhankelijke vervormingen van een constructie kunnen groot worden en zelfs leiden tot uiteindelijke breuk zonder enige toename in belasting. Als de vervorming doorloopt zelfs als de belasting constant is, heet deze additionele vervorming kruip.

De meeste bouwmaterialen kruipen tot een zekere mate bij alle temperaturen. Echter, technische metalen zoals staal, aluminium en koper kruipen zeer weinig bij kamertemperatuur. Hoge temperaturen leiden tot snelle kruip wat vaak vergezeld wordt van microstructuurveranderingen. Het fenomeen van kruip is belangrijk in polymeren bij kamertemperatuur, in aluminiumlegeringen bij 100°C en in stalen boven 300°C.

(3) Elasticiteit:

Wanneer een belasting op een materiaal wordt toegepast, is er verandering in vorm en afmeting. De term elasticiteit wordt gebruikt om de capaciteit van een materiaal aan te duiden om zijn oorspronkelijke vorm en afmetingen te herstellen nadat de belasting is verwijderd.

Het verschil tussen de volgende twee termen moet worden opgemerkt:

(i) Elastische Vervorming:

Een vervorming wordt elastisch genoemd wanneer het vaste lichaam vervormt wanneer het belast wordt maar terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie wanneer het ontlast wordt. Een verandering in druk of een toepassing van belasting resulteert in de elastische vervorming. De term ideale vervorming wordt gebruikt om de vervorming te betekenen die instantaan plaatsvindt bij toepassing van kracht en volledig verdwijnt bij verwijdering van de kracht.

Zulke vervormingen gehoorzamen aan de wet van Hooke en de elastische rek van het metaal is recht evenredig met de toegepaste kracht. De ideale vervorming treedt op met vergelijkbaar kleinere vervormingskrachten die de werkspanningen binnen de elastische grens kunnen houden.

(ii) Plastische Vervorming:

Een vervorming wordt plastisch genoemd wanneer het vaste lichaam de verandering in vorm volledig or gedeeltelijk behoudt na verwijdering van de belasting. De plastische vervorming wordt waargenomen wanneer de spanning de elastische grens overschrijdt en de snelheid ervan wordt gecontroleerd door de reksnelheid, toegepaste spanning en temperatuur. Het kan optreden onder trek-, druk- en torsiespanningen. Het wordt opzettelijk uitgevoerd in processen zoals waalzen, smeden, enz. om nuttige producten te maken.

(4) Vermoeidheid:

Wanneer materialen blootgesteld worden aan herhalende of wisselende spanning, zullen ze falen bij een spanning veel lager dan die vereist om breuk onder constante belasting te veroorzaken.

Dit gedrag heet vermoeidheid en wordt gekenmerkt door de volgende drie kenmerken:

(i) Toegenomen onzekerheid in sterkte en levensduur;

(ii) Verlies van duktiliteit; en

(iii) Verlies van sterkte.

De volgende zijn de redenen van vermoeidheidsfalings:

(i) Corroderende omgevingen die resulteren in de reductie van de vermoeidheidssterkte;

(ii) Spanningconcentratiepunten;

(iii) Oppervlakte-onvolkomenheden zoals bewerkingsspuren en oppervlakte-onregelmatigheden; en

(iv) Temperatuur, de vermoeidheidssterkte is hoog bij lage temperaturen en daalt geleidelijk met de stijging van de temperatuur.

(5) Hardheid:

De capaciteit van een materiaal om penetratie door een harder lichaam te weerstaan, wordt gekend als de hardheid. Het is een belangrijke factor bij het bepalen van de bewerkbaarheid en het gebruik van een materiaal voor vloeren en wegoppervlakken. De hardheid is geen fundamentele eigenschap. Maar het is een gecombineerd effect van druk-, elastische en plastische eigenschappen relatief ten opzichte van de penetratiemodus, vorm van de penetrator, enz.

De hardheid vertoont een redelijk constante relatie met de trekksterkte van een gegeven materiaal. Het kan daarom worden gebruikt als een praktische non-destructieve test om globaal een idee te krijgen van de trekksterkte van het materiaal en de toestand van het metaal nabij het oppervlak.

De hardheid van stenen materialen kan bepaald worden met behulp van de schaal van Mohs voor hardheid. Het is een lijst van tien materialen gerangschikt in volgorde van toenemende hardheid. De hardheid van een materiaal ligt tussen de hardheid van twee materialen, nl. degene die kraapt en degene die door het te testen materiaal gekraapt wordt.

Tabel 1-2 toont de schaal van Mohs voor hardheid.

(6) Slagsterkte:

De slagsterkte van een materiaal is de hoeveelheid werk vereist om falen te veroorzaken per eenheidsvolume. Het duidt dus op de viscositeit van een materiaal en materialen worden getest in een slageproefmachine om hun slagsterkte te bepalen.

De slagsterkte is een complexe kenmerk die rekening houdt met zowel de viscositeit als de sterkte van een materiaal.

Het varieert met de volgende factoren:

(i) Als de afmetingen van het monster worden vergroot, is er ook toename in de slagsterkte.

(ii) Als de scherpte van de kerf toeneemt, daalt de slagsterkte vereist om falen te veroorzaken.

(iii) De hoek van de kerf verbetert de slagsterkte na bepaalde waarden.

(iv) De slagsterkte wordt ook tot een zekere mate beïnvloed door de impactssnelheid.

(v) De temperatuur van het te testen monster geeft een indicatie over het type breuk dat waarschijnlijk zal optreden, nl. duktiel, broos of duktiel-naar-bros overgang.

(7) Plasticiteit en Broosheid:

De term plasticiteit van een materiaal is gedefinieerd als de capaciteit om de vorm onder belasting te veranderen zonder te kraken en de vorm te behouden na verwijdering van de belasting.

Materialen kunnen ruwweg in twee groepen worden ingedeeld, namelijk, plastische materialen en broze materialen. Staal, koper, warm bitumen, enz. zijn plastische materialen. Broze materialen falen plotseling onder druk zonder waarnemelijke vervorming voorafgaand aan de breuk. Gesteentematerialen, keramische materialen, glas, gietijzer, beton en sommige andere materialen zijn broos en bieden slechte weerstand tegen buigen, impact en trek.

(8) Sterkte:

De capaciteit van een materiaal om falen te weerstaan onder de actie van spanningen veroorzaakt door een belasting, wordt gekend als de sterkte. De belasting waaraan een materiaal doorgaans blootgesteld is, zijn druk, trek en buiging. De corresponderende sterkte wordt verkregen door de uiteindelijke belasting te delen door het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster.

De spanningen in bouwmaterialen mogen niet een bepaald percentage van hun uiteindelijke sterkte overschrijden. Dus wordt een veiligheidsmarge voorzien en de term veiligheidsfactor wordt gebruikt om de verhouding van uiteindelijke spanning tot veilige spanning aan te duiden. Bijvoorbeeld, als de veiligheidsfactor twee is, zou de spanning die voor ontwerpdoeleinden wordt aangenomen, de helft van de uiteindelijke spanning zijn.

De waarden van veiligheidsfactoren worden gespecificeerd door ontwerpstandaarden en worden opgesteld door rekening te houden met diverse factoren zoals aard van het werk, kwaliteit van het materiaal, dienstomstandigheden, economische overwegingen, enz.

(9) Slijtage:

Het falen van een materiaal onder de gecombineerde acties van slijtage en impact wordt gekend als de slijtage. De slijtageweerstand wordt doorgaans uitgedrukt als een percentage van gewichtsverlies en is van groot belang bij het bepalen van de geschiktheid van een materiaal voor gebruik van wegoppervlakken, spoorwegballast, enz.