Mechanische materiaaleigenschappen, welke zijn dat?

Materialen hebben vele eigenschappen, waarmee wij handig constructies, machines, wegen, gebouwen kunnen maken. Die eigenschappen zijn mechanisch van aard. Indien het materiaal wordt gebruikt, wordt het belast en dat houdt in dat het materiaal daarop gaat reageren. Afhankelijk van de capaciteiten daarbij kan de doorsnede een bepaalde belasting opnemen, voordat het vervormt, vloeit, beschadigt of bezwijkt. Welke termen liggen ten grondslag aan mechanische materiaaleigenschappen?

Mechanische materiaaleigenschappen

• Wet van Hooke: elasticiteit
• Buigsterkte door traagheidsmoment
• Drukopnamecapaciteit
• Trekcapaciteit doorsnede
• Kruipeffecten als seculaire vervorming
• Hardheid en broosheid
• Taaiheid en vermoeiing

Wet van Hooke: elasticiteit

De treksterkte van een materiaal bepaalt de belastingopname capaciteit. Daarbij buigt het materiaal door zonder dat het blijvend vervormt. Meest herkenbaar is deze eigenschap bij warm gewalst constructiestaal, waarbij na belasting het materiaal weer de oorspronkelijke vorm aanneemt. De spanningstoename in het materiaal laat dus een vervorming zien bij een bepaalde overspanning. Deze rechtlijnige relatie is middels de Wet van Hooke vastgelegd conform Δl = F*L / E*A. Daarin is F de belasting op een afstand L waar een doorsnede A met elasticiteit E dat tegenwerkt, zodat een doorbuiging Δl wordt bereikt. De relatie van Hooke is altijd van toepassing tot de vloeigrens is bereikt. Voor standaard staal ligt deze grens op 235 N/mm2 (maximale reken treksterkte). Op deze grens zullen vervormingen blijvend zijn, waarna bij verder belasten de maximale spanning 360 N/mm2 wordt bereikt. Op dat moment treedt het insnoereffect op, voordat het staal bezwijkt. Constructies worden ontworpen binnen de rechtlijnigheid van de elasticiteit met voldoende veiligheden. Elasticiteit vormt de eerste materiaalfactor voor de stijfheid.

Buigsterkte door traagheidsmoment

Gerelateerd aan de elasticiteit geldt voor de stijfheid het traagheidsmoment van de doorsnede. Het materiaal heeft door de doorsnedevorm een bepaalde mate van opnamecapaciteit om spanningen te kunnen weerstaan. De I-waarde van het oppervlak bepaalt daarbij hoeveel doorbuiging er kan optreden. Bij een rechthoek wordt de I-waarde als vormfactor bepaald door Ir = 1/12*b*h^3 uitgedrukt in mm^4. Tezamen met de elasticiteit uit het zich in de volgende formule: Δl = doorbuiging (mm) = a*M;rep * L / (48 * E * I) met M;rep (Nmm) is het representatief moment en L (mm) is de lengte van de overspanning en a factor type oplegging (1-5). De elasticiteit in combinatie met de traagheidscapaciteit van de vorm bepaalt hoeveel doorbuiging er werkelijk kan optreden.

Drukopnamecapaciteit

In relatie tot de treksterkte (elasticiteit) is er eveneens de druksterkte. Een materiaal kan slechts een bepaalde mate aan druk opnemen alvorens het gaat bezwijken of vloeien. Bij staal is de trek- gelijk aan de drukcapaciteit. Voor beton is dat een compleet ander verhaal. Beton kan zeer slecht trek opnemen (circa 10% van druk), echter heeft uitstekende capaciteiten om druk te weerstaan. Indien de maximale druk is behaald zal het materiaal plastisch vervormen, waarna snel breuk optreedt. Vaak wordt beton in de kwaliteit C25 (maximaal representatieve drukcapaciteit = 25*0,85*0,85 = 18 N/mm2) toegepast, waarnaast aanvullend wapeningsstaal in de doorsnede wordt toegepast. Constructies worden namelijk belast op normaalkrachten in combinatie met momenten, welke ontbinden in een inwendige druk- en trekzone. De druk wordt opgenomen door het beton, terwijl de trek in de andere uiterste wordt opgenomen door toegepaste wapening.

Trekcapaciteit doorsnede

De mate van doorbuiging wordt bepaald door het traagheidsmoment van de vorm. De sterkte van een doorsnede wordt echter vastgelegd door het weerstandsmoment W (1/6*b*h^2 in mm^3). Als de maximale reken treksterkte van het materiaal is bereikt, dan zal het materiaal gaan bezwijken (of zullen de eerste tekenen daartoe zijn). Als de vloeigrens is bereikt dan treden reeds onveranderbare veranderingen op welke als waarschuwingssignaal gelden. Er wordt dan altijd uitgegaan van de maximale trek overeenkomstig de vloeigrens. De benodigde W-waarde van een doorsnede wordt als volgt bepaald: W;d = M;d / σ;d met M;d is reken moment in Nmm en σ;d is vloeigrensspanning in N/mm2.

Kruipeffecten als seculaire vervorming

De consistentie van een materiaal kan met de tijd veranderen. Er wordt onderscheid gemaakt in direct optredende vervormingen en kruip. Kruip is een seculair effect, waarbij het materiaal een gedaante verwisseling ondergaat. Daardoor treden aanvullende zettingen of vervormingen op. Bij staal en beton is dit een relatief klein verwaarloosbaar verschijnsel en wordt het niet meegenomen. Dit ligt anders bij hout of grondlagen zoals klei, zand, leem als constructiemateriaal. Met de loop der tijd wordt de pakking van de lagen anders, waardoor extra zakking optreedt oftewel seculaire zetting. Bij hout is de doorbuiging wegens kruip even groot als de doorbuiging wegens de permanente belasting.

Hardheid en broosheid

Het ene materiaal is harder dan het andere. Denk aan diamant dat eenvoudig in andere materialen kan krassen. Omdat de punt dermate scherp kan zijn zal een beperkte druk reeds in een ander materiaal een plaatselijke overbelasting geven. Daardoor vervormt het materiaal onherstelbaar. De vloeigrens is dan bijvoorbeeld bij het glas bereikt, waardoor de kras door het hardere materiaal kan worden gemaakt. De tegenhanger van hardheid is broosheid. De plastische grens is sneller bereikt, waardoor schade in het materiaal ontstaat.

Taaiheid en vermoeiing

Het langdurig belasten en ontlasten van een materiaal kan vermoeiing van dat materiaal inhouden. Normaal zal het geen consequenties moeten hebben, omdat het met veiligheden wordt ontworpen. Toch zijn er omstandigheden waarbij de doorsnede capaciteit minder wordt, waardoor één en ander verzwakt. Het heeft tot gevolg dat er bijvoorbeeld metaalmoeheid kan optreden. Vaak zal er een constructiefout aanwezig zijn of wordt het overbelast, waardoor het optreedt. De mate waarin een materiaal resistent is tegen het fenomeen wordt bepaald door de taaiheid.

Lees verder

• Elasticiteit van hout: E-modulus hout voor de doorbuiging
• De elasticiteitsmodulus van staal
• Druksterkte van beton: hoeveel kan beton aan druk opnemen?
• Kruipend hout: kruip door secundaire doorbuiging met de tijd
• Metaalmoeheid en het bezwijken van (stalen) constructies