Staal, sterkte versus taaiheid

Voordeel van taaiheid is dat we door vervorming de breuk, wegens overbelasting, zien aankomen, we worden gewaarschuwd. Er speelt echter iets nog belangrijkers. De spanningen in het constructiedeel worden beter verdeeld, de spanningspieken verdwijnen door deformatie van het belaste onderdeel. Waar een staal met hoge treksterkte bezwijkt kan een staal met lagere trekvastheid doch grotere taaiheid stand houden. Als voorbeeld beschouwen we de schetsplaat van een staalconstructie en de nagelverbinding in de scheepsplaat van de Titanic.

Trekproef (Spanning-rek diagram)

De trekproef is door de Europese norm (EN) gestandaardiseerd.Meetlengte Lo = k√ So, waarin: So de oorspronkelijke doorsnede. Voor een ronde trekstaaf geldt: So = 0,785. Do2 waarin Do de oorspronkelijke diameter. Voor staal is de constante k= 5,65. Dus meetlengte Lo=5Do. In de trekkromme de vaktaal die we gebruiken om kenmerkende eigenschappen van een materiaal aan te geven:

Sterk - zwak; bros - taai; stug - week; stijf - slap.

Treksterkte

De treksterkte Rm [N/mm2] (maximale treksterkte) is de belasting Pm bij breuk gedeeld door het oorspronkelijke oppervlak So van de doorsnede: Rm=Pm/So [N/mm2].

Elasticiteitsgrens
Elasticiteitsgrens Rp (propotionaliteitgrens) is de spanning waar de vervorming van elastisch overgaat naar plastisch. In elastisch gebied is de spanning evenredig met de rek (wet van Hooke).

Strekgrens

Bij ongelegeerd staal zien we dat als de strekgrens wordt overschreden, het materiaal plastisch gaat vloeien. Vloeigrens is het punt waarbij de eerste plastische vervorming, bij constante belasting, optreedt. Metalen met hogere sterkte tonen geen duidelijke vloeigrens. In dit geval wordt een belasting met een meetbare plastische deformatie van 0,2% aangehouden. De spanning die een blijvende rek van 0,2 procent veroorzaakt is de 0,2-rekgrens Re0,2 en bepaald met een proefstaaf met een meetlengte van 100 mm.

Breukrek

Een algemene maat voor de taaiheid van staal is de procentuele verlenging A% na breuk A = (Lb - L0) / L0 x 100%, waarin: Lb = meetlengte na breuk en Lo = oorspronkelijke meetlengte.

Insnoering

Een andere maat voor de taaiheid en dus koudvervormbaarheid bij belasting is de insnoering bij breuk. Eerst wordt de proefstaaf in de trekproef gelijkmatig dunner, vanaf de breukbelasting volgt insnoering Z%. Z = (So - Sb) / So x 100%; waarin So = doorsnede van de onbelaste staaf en Sb is doorsnede ter plekke van de breuk.

Elasticiteitsmodulus

Een lage elasticiteitmodules E betekent dat het staal elastisch (flexibel) is en een hoge E betekent stijf. Hoe steiler de hoek, hoe meer kracht nodig is om het materiaal te rekken. E is voor alle staalsoorten practisch dezelfde en is grotendeels terug te voeren tot de aantrekkingskracht tussen de metaal atomen. Elasticiteitsmodules geeft aan hoe gemakkelijk het materiaal van lengte kan veranderen door een kracht. E is aangegeven in het spanning rekdiagram. Elasticiteitsmodulus van staal is 210000 N/mm².

De elasticiteitsmodulus is als volgt te bepalen:

• F trekkracht in N
• σ = trekspanning in de staaf N/mm2
• Ɛ = rek van de staaf
• dl = verlening mm
• Ao oorspronkelijke staaf doorsnede mm2
• l₀ = oorspronkelijke meetlengte mm
• Rekgrens Re N/mm2

• E= σ/ε
• waarin:
• σ=F/Ao
• en
• ε=dL /Lo
• Hieruit:
• E=(F/Ao)(Lo/dL)
• Ook geldt:
• E=F.Lo/Ao.dL

Dus E is trekkracht F(N) maal oorpronkelijke meetlengte Lo (mm) gedeeld door oorspronkelijke doorsnede Ao (mm2) maal verlenging dL(mm).

Taaiheid
Taaiheid dus vervormbaarheid ontstaat omdat de glijvlakken tussen atomenlagen in het atoomrooster minder geblokkeerd worden. De atomen zijn beweeglijker (diffusie) door ontbreken van obstakels. De dislocaties (fouten in het rooster) wandelen onder invloed van de spanning door het materiaal en zijn voor een belangrijk deel verantwoordelijk voor de plastische deformatie.

Brosheid

Honderd procent bros, wil zeggen verankering van potentiële glijvlakken tussen atoomlagen en belemmering van de beweging van dislocaties door verbindingen als: carbiden en nitriden is maximaal. De sterkte wordt bepaald bij 100% brosheid door de interatomaire krachten. De breukvlakken van dezelfde trekstaaf passen precies in elkaar.

Versteviging

Door koudvervorming treedt versteviging op, waardoor de kracht nodig voor de vervorming groter wordt, tot de breeksterkte overschreden wordt en via insnoering breuk optreedt. Versteviging kan ongewenst zijn, dan zal men het staal na vervormen gaan gloeien om het zijn taaiheid terug te geven. Bij dieptrekken is vaak tussengloeien nodig. Als men een te grote koudvervorming in één stap doet gaat het materiaal scheuren. In dat geval zal men eerst gedeeltelijk vervormen, dan tussengloeien om de versteviging weg te werken en dan pas weer de volgende deformatie. Deze bewerkingscyclus kan zich bij dieptrekken meerdere malen herhalen.

Sterkte versus taaiheid bij constructiestalen

De schetsplaat en taaiheid

De keuze waarvoor we gesteld worden is hoe taai en hoe sterk moet het staal zijn bij een gegeven toepassing. We nemen als voorbeeld een schetsplaat in een staalconstructie. De trekspanning in de op trek belaste profielen, die aan de schetsplaat geklonken zijn, zal nooit voor alle profielen dezelfde zijn. De schetsplaat ter plekke van een overbelast profiel vervormt in de richting van de krachtlijn van het profiel, waardoor de overspanning voor het profiel iets korter wordt. en het profiel iets minder uitgerekt dus de trekspanning in profiel en schetsplaat daalt. Taaiheid doet schetsplaat vervormen en aanpassen zodat de gevaarlijke spanningspieken verdwijnen. Een taai staal kan een overbelaste constructie overeind houden, terwijl dezelfde constructie uit sterker doch minder taai staal bezwijkt. Een taai materiaal laat door aanpassing de spanning dalen en een sterk bros materiaal kan dat niet, laat de spanning oplopen tot de trekstang scheurt.

Het staal van de Titanic

Als de trekspanning in de Klinknagel de breeksterkte overschrijdt breekt hij. Als het klinknagelstaal taaier is vervormt hij en wordt langer waardoor de trekspanning in de nagel daalt, zonder breuk. Geldt ook voor taaie scheepsplaten die door de klinknagels aan elkaar worden geklonken. De platen vervormen bij de aanvaring met de ijsberg zonder te scheuren en vangen zo de klap op geholpen door de nagels die rekken en niet bezwijken. De grote voordeel van taaie materialen is dat ze bij overbelasting toegeven aan de uitwendige krachten waardoor de spanning daalt terwijl. Een minder taai doch sterker materiaal zou bezwijken.

De ijsberg kerfde in de scheepsromp, het ijs brokkelde ter plaatse af maar de massatraagheid van het schip hield de Titanic op ramkoers, dus de volgende botsing met ijs vindt plaats enz. Het ijs trok een lijn van korte scheuren langs de romp, elke streep een scheur waarin het water naar binnen werd geperst. Bij taai staal was het bij een sterke vervorming gebleven, zonder nagel breuk en de ramp had zich niet voltrokken. De slechtste scenario was geweest dat de er veel kleinere scheuren waren ontstaan en er daardoor voldoende tijd was om alle passagiers te redden. Door hebzucht en eerzucht was het staal inferieur, zoals beschreven in het artikel "Het staal van de Titanic".