InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Staal, sterkte versus taaiheid

Staal, sterkte versus taaiheid

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.
Spannings-rek diagram van ongelegeerd en laaggelegeerd staal. Bron: HKosterSpannings-rek diagram van ongelegeerd en laaggelegeerd staal. Bron: HKoster

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].

Bron: Freisein, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)Bron: Freisein, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
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.

Bron: Cdang, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)Bron: Cdang, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
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).

A is bros staal, B is de gangbare taaiheid van constructiestaal, C is zeer taai staal / Bron: Sigmund, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)A is bros staal, B is de gangbare taaiheid van constructiestaal, C is zeer taai staal / Bron: Sigmund, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
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.

Schetsplaat (meervoudige verbindingsplaat in een staalconstructie) / Bron: JohnBoers, Wikimedia Commons (CC BY-SA-4.0)Schetsplaat (meervoudige verbindingsplaat in een staalconstructie) / Bron: JohnBoers, Wikimedia Commons (CC BY-SA-4.0)

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.

De rode linkse curve is van bros metaal, de grote rechtse curve is van een taaier metaal met praktisch dezelfde sterkte. Het oppervlak van curven stelt de arbeid voor die nodig is om de staaf te breken.Voor het taaie metaal is dus circa vijfmaal zoveel energie nodig als voor het brosse metaal met dezelfde sterkte. / Bron: Amgreen, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)De rode linkse curve is van bros metaal, de grote rechtse curve is van een taaier metaal met praktisch dezelfde sterkte. Het oppervlak van curven stelt de arbeid voor die nodig is om de staaf te breken.Voor het taaie metaal is dus circa vijfmaal zoveel energie nodig als voor het brosse metaal met dezelfde sterkte. / Bron: Amgreen, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)

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".
© 2013 - 2019 Custor, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
C45 veredelingsstaal: Eigenschappen en toepassingenC45 veredelingsstaal: Eigenschappen en toepassingenOngelegeerd veredelingsstaal C45 behoort al meer dan een halve eeuw tot het meest gebruikte machinestaal. Het heeft uits…
Zilverstaal: Eigenschappen en toepassingenZilverstaal: Eigenschappen en toepassingenZilverstaal is een hoog koolstofhoudende gereedschapsstaal, geslepen en gepolijst met nauwe toleranties. Er komt geen zi…
Het ijzerkoolstof diagram en de structuur van staalHet ijzerkoolstof diagram en de structuur van staalHet ijzerkoolstofdiagram en de daar vanaf geleide grafieken en structuren vormen de bases van de metaal(staal)kunde. Het…
De elasticiteitsmodulus van staalDe elasticiteitsmodulus van staalStaal is een prachtig materiaal waarmee grote gebouwen, bruggen en utiliteit mee worden gebouwd. Het is zeer praktisch i…
St 52-3: Eigenschappen en toepassingenSt 52-3: Eigenschappen en toepassingenStaal St 52-3 is een veel gebruikt laaggelegeerd constructiestaal staal. De oorspronkelijke ongelegeerde stalen C35(St50…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Eugen Nosko, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
  • Artikelen Infoteur.custor.nl: "Het staal van de Titanic"; "High strengt en lowcarbon alloy".
  • http://www.tosec.nl/
  • Info@vanotools.nl
  • http//www.w123 club.nl
  • Metallerie.pmg.be
  • Ocas praktijk hoge sterkte staal door federatie dunne plaat(nl) http://www.fdp.nl
  • http://www.schmolz-bickenbach.nl/
  • Afbeelding bron 1: Freisein, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
  • Afbeelding bron 2: Cdang, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
  • Afbeelding bron 3: Sigmund, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
  • Afbeelding bron 4: JohnBoers, Wikimedia Commons (CC BY-SA-4.0)
  • Afbeelding bron 5: Amgreen, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)

Reageer op het artikel "Staal, sterkte versus taaiheid"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Custor
Laatste update: 05-12-2016
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 13
Schrijf mee!