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.

Welke factoren hebben invloed op de vermoeiing van metalen?

Vermoeiing kan optreden bij materialen na een zeer lang aanhouden van wisselende druk of belasting. Over het algemeen wordt deze term gebruikt bij metalen en constructies en machines die van metaal vervaardigd zijn. Metalen en andere materialen kunne door een wisselende belasting vermoeien. Dit houdt in dat de mechanische sterkte van het materiaal afneemt en het materiaal uiteindelijk zal breken wanneer men de belasting niet wegneemt. Dit proces wordt in de metaalsector ook wel metaalmoeheid genoemd indien het proces optreed bij metalen. Indien er vermoeiing optreed na een kort aantal cycli wordt dit ook wel met “low cycle fatigue” aangeduid. Een kort aantal cycli heeft men beneden de tienduizend.

Spanningsniveau
Metalen hebben specifieke eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen worden onderzocht door een metallurg of andere experts op het gebied van metalen. Doormiddel van destructief onderzoek (DO) en niet destructief onderzoek (NDO) kunnen verschillende testen worden gedaan. Hiermee kunnen de eigenschappen van metalen in kaart worden gebracht. Een belangrijke eigenschap is het spanningsniveau. Dit kan doormiddel van destructief onderzoek in kaart worden gebracht. Tijdens dit onderzoek maakt men gebruik van een testbank en test men een aantal proefstaven van het materiaal dat getest moet worden.

Bepaalde metalen hebben een maximaal spanningsniveau. Als deze metalen onder dit spanningsniveau worden belast door wisselende spanning zal er geen vermoeiing optreden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij staal en titanium. Het maximaal spanningsniveau wordt ook wel grenswaarde genoemd over vermoeiingsgrens. Als het aangelegde spanningsniveau onder deze grenswaarde blijft zal het materiaal niet bezwijken of pas bezwijken na een hoger aantal cycli dan 10 miljoen. Als het materiaal pas bezwijkt na meer dan 10 miljoen cycli wordt dit beschouwd als materiaal met een oneindige levensduur.

Factoren die invloed hebben op de vermoeiingsgrens
De vermoeiingsgrens kan bij bepaalde metalen duidelijk worden aangegeven. De vermoeiingsgrens kan echter lager worden door verschillende factoren. Metalen kunnen aangetast worden door corrosie zoals roest. Daarnaast kunnen ook zuren en chemische stoffen de mechanische eigenschappen van metalen nadelig beïnvloeden. Ook temperaturen en temperatuurverschillen hebben invloed op de mechanische eigenschappen van metalen en daarmee ook invloed op de vermoeiingsgrens. Deze mechanische sterkte van metalen wordt echter bij hoge temperaturen (boven de 200°C)  nadelig beïnvloed.

Verder is de oppervlaktegesteldheid van metalen onderdelen van groot belang. Metalen onderdelen die doormiddel van draaien en frezen zijn behandelt kunnen de vermoeiingsgrens nadelig beïnvloeden en deze grens twintig procent laten afnemen. Ook galvaniseren heeft een nadelige invloed op de oppervlaktegesteldheid. Daarnaast kunnen ook lasverbindingen de vermoeiingssterkte nadelig beïnvloeden.

Het ontstaan van breuk door vermoeiing
Als het vermoeiingsproces niet wordt stopgezet door het wegnemen van de belasting zal uiteindelijk breuk optreden. Dit proces verloopt als volgt:

Initiatie: er ontstaat op de plek in het materiaal een kleine scheur. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren ter plaatse van een spanningsconcentratie, bij kerf of in een las die niet goed is aangebracht. Als er geen spanningsconcentratie aanwezig is kan er nog steeds vermoeiing optreden al zal dit gebeuren na langere tijd.

Propagatie: door de dynamische belasting wordt de scheur in het materiaal groter. In eerste instantie zal dit proces langzaam verlopen. De scheur zal echter steeds groter worden. hierdoor zal de belasting op het niet bezweken deel stijgen. Dit zorgt er voor dat het vermoeiingsproces sneller verloopt.

Terminatie: in deze fase breekt het materiaal los. Dit komt door de breukspanning. Doordat de scheur steeds groter wordt krijgt het deel van het materiaal dat weerstand biedt een steeds kleinere doorsnede. Uiteindelijk breekt het materiaal door de vermoeiing.

Wat zijn de verschillen tussen koudgevormd, koudgewalst en koudgetrokken staal?

In de metaaltechniek kan gebruik worden gemaakt van verschillende technieken om plaatstaat de gewenste vorm of hardheid te geven. Deze verschillende technieken zijn er niet voor niets. De eisen die aan de kwaliteit van staalprofielen worden gesteld zijn in de praktijk verschillend. Soms is buigzaamheid of elasticiteit belangrijk terwijl voor andere constructies juist de hardheid belangrijk is. Naast het warmwalsen van metalen platen en profielen kan metaal ook koud vervormd worden.

Wat is koudvervormen van staal?
Het koudvervormen van staal is een breed begrip voor verschillende processen waarbij staal zonder voorverwarming in de gewenste vorm wordt gebracht. Koudgevormd staal wordt ook wel blank staal genoemd. Men spreekt van koudgevormde staalprofielen wanneer deze profielen worden gevormd bij een omgevingstemperatuur. De profielen worden niet extra koud gemaakt voordat het proces van koudvormen begint. Wel worden de warmgewalste staalprofielen afgekoeld door bijvoorbeeld water. Koudvervormen is een verzamelnaam voor verschillende processen in de metaal. Hierbij kunnen de staalprofielen in de gewenste vorm worden gewalst en getrokken. Het verschil tussen koud trekken van staal en koud walsen van staal is hieronder beschreven.

Wat is koudtrekken van staal?
Bij het koudtrekken van staal wordt toegepast bij verschillende staalprofielen. Voor stalen platen wordt koudtrekken meestal niet toegepast. Voor ronde staven of vierkante balken kan koudtrekken als bewerkingstechniek echter goed worden toegepast. Door het trekken van staal treed er versteviging op in het staal. Het staalprofiel wordt hierdoor harder en langer. Een nadeel van getrokken staal is dat de elasticiteit en taaiheid van het staal afnemen. Daardoor kan getrokken staal niet goed vervormd of gebogen worden. Doet men dit wel dan is de kans op scheuren en breuk groter dan bij warmgewalst staal. Voor het koudtrekken van staal maakt men gebruik van staal dat eerst warmgewalst is. Het koudtrekken is een extra bewerking. Daardoor is koudgetrokken staal over het algemeen minder goedkoop dan warmgewalst staal.

Wat is koudwalsen van staal?
Koudwalsen van staal word gedaan om dunne maar harde staalplaten de vervaardigen. Hier gaat een proces van warmwalsen van staal aan vooraf. Warmgewalst staal is buigzamer en taaier dan koudgewalst staal. Voor sommige toepassingen is het echter van belang om stalen platen van voldoende hardheid te voorzien. Dit wordt gedaan nadat de warmgewalste platen zijn afgekoeld. De plaat wordt tussen walsen gelegd die de plaat steeds dunner walsen. Hierbij wordt de ruimte tussen de walsen verkleind. Koudwalsen van staal wordt gebruikt voor de vervaardiging van blik voor conservenblikken. Daarnaast wordt het proces ook toegepast voor plaatstaal van oliedrums en auto´s. Koudgewalste platen zijn harder dan warmgewalste platen. Een nadeel is echter dat de platen wel minder taai en elastisch zijn. Dunne koudgewalste platen kunnen daardoor niet vaak verbogen worden omdat dan vermoeiing optreed. Dit wordt ook wel metaalmoeheid genoemd.

Wat is metaalkunde en wat doet een metaalkundige?

Metaalkunde is gericht op het besturen van metalen en het onderzoeken van de toepassingen daarvan. Het vakgebied metaalkunde is nauw verbonden met metaaltechniek en de werktuigbouwkunde. In de metaalkunde is onderscheid gemaakt tussen het bestuderen van ferro en non-ferrometalen en legeringen. Ferro (is het Latijnse woord voor ijzer), metalen die bij de ferrogroep horen, hebben als hoofdbestandsdeel ijzer. Non-ferrometalen zijn over het algemeen minder corrosiegevoelig. Een metaalkundige houdt zich bezig met eigenschappen van metalen en onderzoekt deze nauwkeurig. Hieronder is een alinea weergegeven waarin beschreven is wat onder metaalkunde valt.

Waaruit bestaat metaalkunde?
Het onderzoeken van metalen is een breed vakgebied. Metalen kunnen verschillende eigenschappen hebben. Wanneer een metaalkundige alle metalen moet onderzoeken op alle eigenschappen staat deze voor een onmogelijke opdracht. Daarom wordt metaalkunde onderverdeeld in verschillende deelgebieden. Omdat een metaalkundige een specialist is kan hij of zij zich specifiek toeleggen op één of enkele deelgebieden die onder de metaalkunde vallen. Hieronder staan een aantal deelgebieden waaruit metaalkunde bestaat:

  • Lastechniek. Hierin wordt aandacht besteed aan de mogelijkheid om bepaalde metalen te lassen en wat de reactie van metalen zijn bij een bepaalde lastechniek. De doelstelling is hierbij om de juiste lastechniek voor een metaalsoort in kaart te brengen.
  • Metallurgie. Dit deelgebied van metaaltechniek is gericht op het onderzoeken van metalen om daarmee hun bestandsdelen en onderlinge samenhang, dichtheid en massa vast te stellen. Dit kan tot op microscopisch niveau gebeuren. Iemand die werkzaam is in de metallurgie wordt ook wel een metallurg genoemd.
  • Metallografie. Metalen hebben verschillende structuren die in het deelgebied metallografie in kaart worden gebracht. Metallografie is daardoor de structuurbeschrijving van metalen. Doormiddel van deze structuurbeschrijving kan de sterkte van metalen in kaart worden gebracht.
  • Gieterijkunde. Dit deelgebied van metaalkunde is gericht op de eigenschappen van metaal die invloed hebben op het vloeibaar maken en het gieten van metaal. Niet elke metaalsoort kan eenvoudig gegoten worden. Daarnaast zorgt ook de afkoeling van gegoten metaal vaak voor een krimp. Bij gieterijkunde wordt aandacht besteed aan de eigenschappen van metalen die van belang zijn bij het gieten. Voorbeelden van metalen en metaallegringen die gegoten worden zijn gietijzer, gietstaal en brons.
  • Corrosieleer. De meeste metalen hebben een bepaald corrosieproces. Dit proces ontstaat door elektrochemische reacties. Corrosie zorgt er voor dat de kwaliteit van het metaal kan worden aangetast maar dat hoeft niet. In corrosieleer wordt aandacht besteed aan de gevolgen voor de structuur en sterkte van metalen wanneer corrosie optreed.
  • Plastische vormgeving. Hierbij wordt aandacht besteed aan de vervormbaarheid van metalen.
  • Vermoeiing. Dit wordt ook wel fatigue genoemd. Wanneer metalen voortdurend belast worden kan de structuur van het metaal worden aangetast. Dit gebeurd zowel bij langdurige belasting als bij kort durende belasting die regelmatig voorkomt. Vermoeiing van metalen wordt ook wel metaalmoeheid genoemd. Het heeft gevolgen voor de mechanische sterkte van een constructie, werktuig of voertuig.

Een metaalkundige kan zich met één of meerdere van bovengenoemde deelgebieden bezighouden. De taken die een metaalkundige hierbij kan uitvoeren zijn in de volgende alinea beschreven.

Wat doet een metaalkundige?
Metaalkunde is voornamelijk gericht op het onderzoeken van metalen. Daarbij wordt met name gekeken naar de geschiktheid van metalen voor bepaalde toepassingen. Een metaalkundige kan hierbij de kwaliteit en eigenschappen van metalen onderling met elkaar vergelijken. Daarnaast kan een metaalkundige deze eigenschappen vergelijken met bijvoorbeeld kunststoffen, houtsoorten, steensoorten en andere materialen. Een metaalkundige maakt rapporten over de metalen die onderzocht zijn. Daarnaast kan een metaalkundige op basis van deze gegevens ook nieuwe methodes bedenken om metaal te gieten. Het in kaart brengen van eigenschappen van metalen zorgt er daarnaast voor dat een metaalkundige verschillende legeringen kan bedenken waardoor de eigenschappen van metalen elkaar versterken. Een metaalkundige kan daardoor bij verschillende bedrijven werken.

Waar werkt een metaalkundige?
Metaalkundigen zijn er niet veel in Nederland. Er zijn maar weinig opleidingen in Nederland die op HBO en Universitair niveau aandacht besteden aan het onderzoeken van de kwaliteiten van metalen. Dit is jammer want metalen worden in de techniek vrijwel overal toegepast. Het is belangrijk dat van te voren goed in kaart wordt gebracht wat de eigenschappen van de metalen zijn. De beoogde toepassing of het toepassingsgebied van metalen is hierbij van groot belang. Metalen worden onder andere toegepast in staalconstructie en de machinebouw. Ook worden metalen toegepast voor de vervaardiging van auto’s, treinen, bussen, tractoren en andere voertuigen. Binnen de scheepsbouw, jachtbouw, luchtvaarttechniek en de ruimtevaart wordt ook gebruik gemaakt van metalen. Een metaalkundige kan daardoor in verschillende bedrijven werkzaam zijn.