Wat wordt in de mechanica bedoelt met buiging en flexuur?

Elk materiaal heeft eigenschappen. Deze eigenschappen maken een materiaal geschikt of juist ongeschikt voor een bepaalde toepassing. De flexuur of buiging is ook een eigenschap van een voorwerp of materiaal. Met buiging doelt men op de mate waarmee een materiaal vervormd of vervormbaar is in de richting die loodrecht staat op de lange as.

De vervorming van een materiaal of voorwerp is een gevolg van een kracht die wordt uitgeoefend. Buiging is een samengestelde vorm van belasting omdat aan de ene kant van het voorwerp trek optreed en aan de andere kant druk. Dit is afhankelijk van de richting waarin het voorwerp buigt. De ene kant van het voorwerp wordt iets langer doordat deze oprekt en de andere kant heeft te maken met druk omdat deze in elkaar wordt geperst.

Doorbuiging of deflectie
De mate waarin doorbuiging van een materiaal plaatsvindt wordt ook wel de mate van deflectie genoemd. Omdat materialen een bepaalde mate van elasticiteit hebben is doorbuiging niet per definitie schadelijk. Een balk die gemaakt is van staal kan in een beperkte mate doorbuigen omdat deze balk over elasticiteit beschikt. De elasticiteitsgrens moet echter niet worden overschreden omdat er dan plastische vervorming optreed. Dan is het materiaal zover doorgebogen dat het niet meer in de oorspronkelijke vorm terugkeert.

Metaalmoeheid
Door regelmatig op metaal een bepaalde druk of kracht uit te oefenen kan een metaal meerdere keren buigen. Hierdoor kan metaalmoeheid optreden. Door het voortdurend ineendrukken en oprekken van het metaal ontstaan kleine scheurtjes die er uiteindelijk voor kunnen zorgen dat de mechanische belastbaarheid van het metaal zo wordt verlaagd dat het materiaal knapt of uiteen getrokken wordt.

Waarvoor wordt een trekproef gebruikt en hoe wordt een trekproef gedaan?

Het is in de werktuigbouwkunde belangrijk dat de juiste materialen worden gekozen voor een bepaalde toepassing. Wanneer een machine of constructie wordt ontworpen wordt naast de vorm van de constructie en de verbindingen ook gekeken naar de materialen die worden gebruikt. Deze materialen moeten over bepaalde eigenschappen beschikken om de constructie stevig genoeg te maken voor het beoogde doel waarvoor de constructie is ontworpen. Een van de methodes om de eigenschappen van metalen in kaart te brengen is het doen van een trekproef.

Wat is een trekproef?
Een trekproef wordt in de werktuigbouwkunde veel gebruikt om de treksterkte, de elastische rek en de vloeigrens of rekgrens van metalen te meten. Een trekproef is een beproevingsmethode die destructief is. Dit heeft te maken met het feit dat het materiaal dat getest wordt na de test onbruikbaar is. Het proefmonster dient daarom alleen maar voor de test en kan daarna als verloren worden beschouwd. Het proefmonster wordt in een trekbank geplaatst tussen twee klemmen. Deze klemmen oefenen een bepaalde belasting uit op de proefstaaf tot deze knapt of breekt. Tijdens dit proces worden verschillende metingen verricht die nauwkeurig worden bijgehouden. De metingen vormen belangrijke informatie voor werktuigbouwkundigen.

Genormaliseerde proefstaaf
Het proefmateriaal gaat tijdens de trekproef verloren. Dit komt doordat de proefstaaf breekt. Toch moet het proefmonster wel aan hoge eisen voldoen. Het is belangrijk dat het proefmateriaal wel exact de juiste samenstelling bevat. Van te voren moet goed bekend zijn wat de samenstelling van het proefmateriaal is omdat de proef anders geen waarde heeft. Daarom moet de proefstaaf die getest wordt van te voren genormaliseerd zijn. Bij een trekproef wordt in feite gekeken naar de eigenschappen van metaal door deze aan een proef te onderwerpen.

Hoe gaat een trekproef in zijn werk?
De proefstaaf wordt geplaatst in een trekbank. Hierbij wordt de genormaliseerde proefstaaf vastgezet tussen twee klemmen. Veel trekproeven worden bewegingsgestuurd. Hiermee wordt bedoelt dat op het proefstuk een bepaalde rek wordt gelegd. De klemmen voeren langzamerhand de belasting op de proefstaaf op. Dit gebeurd door een hydraulische aandrijving, maar er kan ook gebruik worden gemaakt van een spindelaandrijving. Door de opgelegde belasting zal de proefstaaf op een gegeven moment oprekken. Dit is elastische rek die in eerste instantie niet tot breuk zal leiden. De belasting duurt echter voort waardoor er plastische rek optreed in de proefstaaf. Nu is de proefstaaf zover opgerekt dat deze niet meer naar de basisvorm terugkeert wanneer de belasting wordt weggenomen. De volgende stap is de vloeigrens. Hierbij wordt de proefstaaf nog dunner en zal deze uiteindelijk breken omdat de proefstaaf door de belasting ‘uit elkaar is getrokken’.

Tijdens dit proces worden een aantal metingen gedaan. De extensiometer meet de verlenging van de proefstaaf. Deze verlenging kan ook door een rekmeter worden gemeten. Daarnaast wordt de kracht die wordt uitgeoefend op de proefstaaf gemeten met de krachtmetercel. De informatie die uit deze metingen naar voren komt wordt goed bijgehouden. Deze informatie geeft de materiaaleigenschappen aan van de genormaliseerde proefstaaf. Daardoor weten constructeurs welke eigenschappen het materiaal van de proefstaaf heeft. Daarmee kunnen ze rekening houden met het ontwerpen van constructies wanneer ze het materiaal willen gaan toepassen.

Er zijn verschillende soorten trekproeven. Trekproeven die bewegingsgestuurd zijn kunnen een afname hebben van de spanning terwijl de proef verloopt. Dit is niet het geval bij een spanningsgestuurde trekproef. Dit type trekproef vergt echter wel speciale apparatuur die erg kostbaar is. Deze apparatuur kan de spanning in de vijzel aanpassen wanneer het materiaal in korte tijd zeer snel uitrekt.

Wat is elastische rek, treksterkte, rekgrens en vloeigrens?

In de werktuigbouwkunde en de staalconstructie worden verschillende constructies en machines vervaardigd. Het is belangrijk dat machines en constructies zo zijn geconstrueerd dat ze veilig en sterk genoeg zijn voor de toepassingen die men op het oog heeft. Hierbij is de keuze voor de juiste materialen erg belangrijk. Er wordt in de werktuigbouwkunde veel gebruik gemaakt van metalen. Metalen hebben verschillende eigenschappen die doormiddel van legeringen kunnen worden verbetert. Bij het beoordelen van de sterkte van metalen kan gekeken worden naar de treksterkte en de vloeigrens. Deze termen worden hieronder uitgelegd. Daarnaast wordt nog meer informatiegegeven over onderwerpen van de sterkteleer binnen de werktuigbouwkunde.

Wat is elastische rek?
Elastische rek is de rek waaraan materiaal maximaal kan blootstaan voordat het materiaal onherstelbaar van vorm verandert. Elk materiaal heeft een bepaalde elasticiteit. Binnen de fase van elastische rek vervormt het materiaal slechts in geringe mate. Het materiaal rekt als het ware een beetje uit. Omdat deze rek nog binnen de grenzen valt van de elasticiteit spreekt men over elastische rek. Materialen keren terug naar de beginvorm wanneer de belasting geheel wordt weggenomen. Materialen hebben een maximale spanning waaraan ze kunnen blootstaan voordat het materiaal onherstelbaar wordt vervormd. Dit wordt ook wel de treksterkte genoemd. Dit onderwerp wordt in de volgende alinea beschreven.

Wat is de treksterkte van metaal?
Metalen hebben een bepaalde treksterkte. Deze treksterkte is de mechanische spanning die een materiaal maximaal kan bereiken voordat het materiaal onherstelbaar van vorm verandert. Wanneer de treksterkte wordt overschreden treed een plastische vervorming op. In dat geval is de ‘rek’ er uit. In tegenstelling  elastische vervorming keert materiaal dat plastisch vervormd is niet naar de basisvorm terug. Plastische vervorming treed bij de meeste staalsoorten op voor de vloeigrens. De vloeigrens wordt in de volgende alinea beschreven.

Wat wordt bedoelt met de vloeigrens van metaal?
Wanneer het materiaal door een bepaalde belasting plastisch begint te vervormen wordt de vloeigrens bereikt. Het materiaal rekt verder uit door de belasting en begint ‘te vloeien’. Dit vloeien ontstaat doordat materiaal voortdurend wordt uitgerekt en daardoor langer maar dunner wordt. Wanneer de vloeigrens eenmaal is bereikt en de belasting niet wordt weggenomen is de kans groot dat het metaal breekt en de constructie onherstelbaar wordt beschadigd. Staal met een hoge vloeigrens heeft een hoge taaiheid. Een constructeur ontwerpt geen constructies waarbij materiaal boven de vloeigrens wordt belast.

Is de rekgrens gelijk aan de vloeigrens?
In de werktuigbouwkunde wordt de term rekgrens ook wel gebruikt. De rekgrens is bijna gelijk aan de vloeigrens. De vloeigrens wordt ook wel aangeduid met Rp 0,2. Deze aanduiding houdt in dat naast de elastische rek die is bepaald door de elasticiteitsmodulus nog een supplementaire rek optreed van 0,2%. De rekgrens kan in tabellen worden weergegeven zodat constructeurs goed kunnen zien welke materialen geschikt zijn voor de toepassing die zij voor ogen hebben.

Hoe worden de treksterkte, elastische rek, rekgrens en de vloeigrens bepaald?
Een bekende methode om de bovengenoemde eigenschappen van metalen te bepalen is het doen van een trekproef. Dit is een destructieve beproevingsmethode omdat het proefmateriaal hierbij wordt vernield. Bij een trekproef wordt in feite gekeken naar de eigenschappen van metaal door deze aan een proef te onderwerpen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een genormaliseerde proefstaaf van het materiaal dat getest moet worden. Deze proefstaaf wordt tussen twee klemmen in geplaatst die vervolgens een bepaalde belasting op de proefstaaf uitoefenen. Tijdens de trekproef worden verschillende metingen gedaan. De trekkracht wordt gemeten doormiddel van een zogenoemde krachtmeetcel. De staaf zal op een gegeven moment elastische rek gaan vertonen. Deze verlenging van de proefstaaf wordt gemeten met een extensiometer of een rekmeter. De informatie die uit een trekproef naar voren komt kan gebruikt worden om de eigenschappen van het materiaal in kaart te brengen. Dit is van groot belang voor de constructieleer en het bepalen van de geschiktheid van het materiaal voor een bepaalde toepassing.