Uitgebreide Gids naar 14 Belangrijke Mechanische Eigenschappen van Materialen met Praktische Voorbeelden

Wat zijn de Mechanische Eigenschappen van Materialen?

De mechanische eigenschappen van materialen definiëren het gedrag van materialen onder de werking van externe krachten, belasting genoemd. Ze zijn een maat voor de sterkte en duurzaamheid van een materiaal in dienst en van groot belang in het ontwerp van gereedschappen, machines en constructies.

Mechanische eigenschappen zijn structuurgevoelig in de zin dat ze afhangen van de kristalstructuur en het bindingsproces, en met name van de aard en het gedrag van de onvolkomenheden die binnen het kristal zelf of aan de korrelgrenzen bestaan.

De belangrijkste en nuttigste mechanische eigenschappen van materialen worden hieronder kort uitgelegd, zodat de lezer snel en wijs het juiste materiaal voor een gegeven ontwerp kan kiezen.

1. Sterkte (Strength)

De sterkte van een materiaal is zijn capaciteit om belasting te weerstaan zonder breuk. Hoe sterker het materiaal, hoe groter de belasting die het kan dragen. Het bepaalt de vaardigheid van een materiaal om spanning zonder breuk te weerstaan. Omdat sterkte varieert met het type belasting, kan men trek-, druk-, afschuif- of torsiesterkte onderscheiden.

De maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voor breuk heet de uiterste sterkte. De neiging van een materiaal is zijn uiterste treksterkte.

2. Elasticiteit (Elasticity)

Elasticiteit is die mechanische eigenschap waardoor deformatie door toegepaste belasting verdwenen na verwijdering van de belasting. Met andere woorden: elasticiteit is het vermogen van een materiaal om na deformatie terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de spanning of belasting wordt weggenomen. Elasticiteit is een trekeigenschap.

• Proportionele grens (Proportional limit): De maximale spanning waaronder een materiaal een volledig uniforme verhouding tussen rek en spanning handhaaft. Hoewel deze waarde moeilijk te meten is, wordt ze gebruikt in belangrijke toepassingen zoals precisie-instrumenten, veren, etc.
• Elastische grens (Elastic limit): Meeste materialen kunnen iets boven de proportionele grens worden gespannen zonder blijvende deformatie. De grootste spanning die een materiaal kan doorstaan zonder blijvende set is de elastische grens. Boven deze grens verandert het materiaal permanent.
• Stroomgrens (Yield point): Bij een bepaalde spanning staken duktil materiaal, met name, het weerstand bieden aan trekkrachten; ze vloeien en een relatief grote blijvende verandering treedt op zonder duidelijke toename van belasting. Dit punt heet stroomgrens. Sommige materialen vertonen een duidelijke stroomgrens; de stroomspanning of stroomsterkte is dan de spanning op dit punt. Zacht staal is een voorbeeld.
• Bewijsspanning (Proof stress): Veel duktiele materialen tonen progressieve stroomgrens en een andere maat voor stroomspanning, meestal bewijsspanning genoemd. Bewijsspanning is gedefinieerd als de spanning die een materiaal kan weerstaan zonder meer dan een kleine set te nemen, veelvoorkomend 0,1 of 0,2 % van de originele meetlengte.

3. Stevigheid (Stiffness)

De weerstand van een materiaal tegen elastische deformatie of doorbuiging heet stevigheid of stijfheid. Een materiaal dat weinig deformeert onder belasting heeft een hoge mate van stevigheid. Bijvoorbeeld: opgetogen balken van staal en aluminium kunnen allebei sterk genoeg zijn om de vereiste last te dragen, maar het aluminium zal meer doorzagen of doorbuigen. Met andere woorden: de staalbalk is stijver dan de aluminium balk.

Als het materiaal de wet van Hooke volgt (lineaire spanning-rek relatie), wordt de stevigheid gemeten door de elasticiteitsmodulus E. Hoe hogere de waarde van E, hoe stijver het materiaal.

Bij trek- en drukspanning heet het stevigheidsmodulus of elasticiteitsmodulus; bij afschuiving de glijmodulus (meestal 40% van E voor gangbare materialen); bij volumevervorming de bulkmodulus.

De term buigzaamheid wordt soms als tegenhanger van stevigheid gebruikt, maar buigzaamheid heeft meestal te maken met buiging en kan plastische vervorming impliceren.

4. Plasticiteit (Plasticity)

De plasticiteit van een materiaal is zijn vermogen om een graad van blijvende deformatie te ondergaan zonder breuk of falen. Plastische vervorming treedt pas op na overschrijding van het elastische gebied.

Plasticiteit is belangrijk bij vormgeven, persen, extruderen en vele andere warm of koud vormgevingsprocessen. Materialen als klei, lood, etc. zijn plastisch bij kamertemperatuur; staal is plastisch bij witgloeiende hitte. Over het algemeen neemt plasticiteit toe met temperatuur.

5. Duktiliteit (Ductility)

Duktiliteit is een mechanische eigenschap die het mogelijk maakt om een materiaal uit te trekken tot dunne draad. Zacht staal is een duktil materiaal. De procentuele utrekking en oppervlaktereductie bij trekking worden vaak als empirische maat voor duktiliteit gebruikt.

6. Smeedbaarheid (Malleability)

Smeedbaarheid is het vermogen van een materiaal om in dunne bladen te worden gevormd zonder scheuring, door warm of koud bewerken. Aluminium, koper, tin, lood, staal, etc. zijn smeedbare metalen.

Het is belangrijk te weten dat sommige materialen zowel smeedbaar als duktil kunnen zijn. Lood kan gemakkelijk gerold en gehamerd worden tot dunne bladen, maar kan niet tot draad getrokken worden. Hoewel duktiliteit en smeedbaarheid vaak door elkaar gebruikt worden, wordt duktiliteit gezien als een trekeigenschap, terwijl smeedbaarheid als een drukeigenschap wordt beschouwd.

De begrippen duktiliteit en smeedbaarheid maken ze bijna synoniem met bewerkbaarheid of vormgeefbaarheid, wat duidelijk gerelateerd is aan plastische vervorming.

7. Veerkracht (Resilience)

Veerkracht is een mechanische eigenschap die de capaciteit van een materiaal aangeeft om energie op te slaan bij verwijdering van de belasting. De opgeslagen energie wordt precies teruggegeven als de belasting wordt weggenomen.

De maximale energie die in een lichaam tot de elastische grens kan worden opgeslagen, heet de bewijsveerkracht, en de bewijsveerkracht per eenheidsvolume heet veerkrachtmodulus. Met andere woorden: de veerkrachtmodulus is de hoeveelheid energie die nodig is om een eenheidsvolume materiaal tot zijn proportionele grens te spannen. Deze grandheid geeft de capaciteit van het materiaal om schokken en trillingen te weerstaan.

8. Zwaarte (Toughness)

De zwaarte is een maat voor de hoeveelheid energie die een materiaal kan absorberen voordat daadwerkelijke breuk of falen optreedt. Bijvoorbeeld: als een plotselinge belasting op een stuk zacht staal en dan op een stuk glas wordt uitgeoefend, zal het zacht staal veel meer energie absorberen voordat breuk optreedt. Dus zacht staal is veel zwaarder dan glas.

De zwaarte is de vaardigheid om zowel plastische als elastische vervormingen te weerstaan. Het is een zeer wenselijke kwaliteit voor constructieve en machineonderdelen die schok en trilling moeten weerstaan. Mangaanstaal, gesmeed ijzer, zacht staal, etc. zijn zware materialen.

De werk of energie die een materiaal absorbeert wordt soms zwaartemodulus genoemd. Zwaarte hangt samen met slootsterkte, d.w.z. weerstand tegen slagbelasting.

9. Hardheid (Hardness)

Hardheid is een fundamentele eigenschap nauw gerelateerd aan sterkte. Hardheid wordt meestal gedefinieerd in termen van het vermogen van een materiaal om krassen, slijtage, snijden, indrukken, of penetratie te weerstaan. Het is belangrijk om te weten dat de hardheid van een metaal niet direct gerelateerd is aan de verhardbaarheid van het metaal.

Veel methoden zijn in gebruik voor het bepalen van hardheid: Brinell, Rockwell en Vickers.

10. Verhardbaarheid (Hardenability)

Verhardbaarheid geeft de graad van hardheid aan die aan een metaal, met name staal, toegekend kan worden door het verhardingsproces. Het bepaalt de diepte en verdeling van hardheid geïnduceerd door afschrikken. De verhardbaarheid van een metaal wordt bepaald door een Jominy-test om te bepalen hoe goed een metaal verhardt van het centrum naar de rand. De Jominy-test (ISO 642:1999) omvat het verwarmen van een proefstuk van staal (25 mm diameter, 100 mm lang) tot een austenitiseringstemperatuur en afschrikken aan één kant met een gecontroleerde, gestandaardiseerde waterstraal. Een metaal dat door zijn structuur kan worden verhard, heeft een hogere verhardbaarheid.

11. Brosheid (Brittleness)

De brosheid van een materiaal is de eigenschap om te breken zonder veel blijvende vervorming. Er zijn veel materialen die breken of falen voordat veel vervorming plaatsvindt. Dergelijke materialen zijn bros, bijv. glas, gietijzer. Een niet-duktil materiaal wordt dus bros genoemd.

Meestal is de trekksterkte van broze materialen slechts een fractie van hun druksterkte.

12. Bewerkbaarheid (Machinability)

Bewerkbaarheid is geen intrinsieke mechanische eigenschap, maar het resultaat van een complexe interactie tussen het werkstuk en diverse snijgereedschappen bediend bij verschillende snelheden onder verschillende smeercondities. Daarom wordt bewerkbaarheid empirisch gemeten, met resultaten alleen toepasbaar onder gelijke omstandigheden.

Eenvoudig gezegd: het is de gemak waarmee metaal verwijderd kan worden bij diverse bewerkingen. Goede bewerkbaarheid impliceert bevredigende resultaten.

De bewerkbaarheid van metaal wordt aangegeven door een percentage: de bewerkbaarheidsindex. Alle metaalen worden vergeleken met een basistaal. De standaardmetaal voor 100% bewerkbaarheidsrating is vrijkopend staal. Bewerkbaarheidsindex van koolstofstalen ligt meestal tussen 40–60%, en van gietijzer tussen 50–80%.

13. Kruip (Creep)

Kruip is een mechanische eigenschap. De langzame en progressieve vervorming van een materiaal met de tijd bij constante spanning heet kruip. De eenvoudigste vorm is viskeuze vloeistof.

Afhankelijk van temperatuur, kan spanning zelfs onder de elastische grens blijvende vervorming veroorzaken. Het wordt meestal gedefinieerd als tijdsafhankelijke rek onder spanning. Metalen vertonen kruip bij hoge temperaturen, terwijl kunststoffen, rubber en amorfe materialen erg gevoelig voor temperatuur zijn.

Er zijn drie stadia van kruip. In het eerste staduum strekt het materiaal snel maar met afnemende snelheid. In het tweede is de streksnelheid constant. In het derde neemt de snelheid toe tot falen. De spanning voor een gespecificeerde reksnelheid bij constante temperatuur heet kruipsterkte.

14. Vermoeidheid (Fatigue)

De vermoeidheidseigenschappen van een materiaal bepalen het gedrag bij duizenden of miljoenen cyclische belasting waarbij de maximumspanning per cyclus wel binnen het elastische bereik ligt. Onder deze voorwaarden kan falen optreden na een bepaald aantal belastingcycli, of het materiaal kan oneindig doorwerken. Vaak is een component ontworpen voor een bepaalde levensduur onder een gespecificeerde belastingcyclus; veel componenten van hogesnelheids aero- en turbomachines zijn van dit type.

Dit waren alle verschillende mechanische eigenschappen van materialen die helpen bij het inzicht welk materiaal gekozen moet worden volgens de eis.