Inhoudsopgave ALLE MATERIALEN... 1 MATERIAALGROEPEN... 1 ANDERE INDELINGEN... 1 VERSCHILLENDE WAARNEMINGSNIVEAUS... 1 ATOMAIR... 1 METALEN... 2 LICHT / ZWAAR... 2 LEGERINGEN... 2 STEENACHTIGE MATERIALEN... 2 INLEIDING... 2 FYSISCHE EIGENSCHAPPEN... 2 NATUURSTEEN... 2 KUNSTSTOFFEN... 3 HOOFDKLASSEN... 3 STRUCTUUR... 3 BELANGRIJKSTE KUNSTSTOFFEN... 4 HOUT... 5 INLEIDING... 5 FUNCTIES VAN EEN BOS... 5 DE GROEI... 5 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN... 6 INLEIDING... 6 WET VAN HOOKE... 6 GEDRAG VAN VERSCHILLENDE MATERIAALSOORTEN... 7 ELASTICITEIT, PLASTICITEIT EN VISCOSITEIT... 8 DEFINITIES... 8 ARBEID... 8 PROEVEN... 8 DUURZAAMHEID... 10
Alle materialen Materiaalgroepen 1 Metalen IJzer Staal Non-ferro metalen (aluminium e.d.) 2 Silicaten (Keramische materialen) Natuursteen Kunststeen glas 3 Polimeren Hout Verf Cement Kunststoof Er zijn dus 4 composieten, die van 1, 2 en / of 3 Gewapend beton Hout Glasvezelgewapende kunstoffen (vele malen sterker) Andere indelingen Naar gedrag Mechanisch Druk- en treksterkte, hardheid en vermoeidheid Fysisch Invloed van water, waterdamp en temperaturen Chemisch Materiaalomzetting, zoals roest van staal Verschillende waarnemingsniveaus Macroscopisch 0,1 mm Microscopisch 0,1 µm Moleculair 10 100 A o (A o = 10-10 m) => 10-3 tot 10-2 µm Atomair 1 10 A o Atomair Metalen 1. Opbouw metalen uit kristallen gecombineerd met bouw van deze kristallen als ionroosters is verantwoordelijk voor hoge stijfheid, grote sterkte en hardheid 2. Afwezigheid van O 2 (waartoe metalen affiniteit hebben), veroorzaakt chemische reactiviteit (roesten, oxidevorming) die bij toepassing door bijv. afschermlagen moet worden opgevangen 3. Rangschikking en aard van de kristallen, hun glijvlakken bepalen voor belangrijk deel de bewerkbaarheid van de metalen 4. Systeem van vrije elektronen bepaalt goede elektrische en thermische geleidbaarheid 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 1
Silicaten Silicaten komen voor in oxidevorm, dus chemisch inertie en grote hittenbestendigheid. Door directe kristalpakking van verschillende oxiden hoge stijfheid. Polymeren Relatief lage sterkte daar samenhang veelal wordt bepaald door secundaire bindingskrachten, daardoor ook lage en soms zeer lage stijfheid (rubber-elasticiteit). Oriëntering molecuulketens mogelijk, leid tot vezelvorming en sterke anisotropie. Hardheid meestal veel lager dan die van kristallijne stoffen. Licht / zwaar Grens ligt op ρ = 4.500 kg / m 3 Metalen De enige lichten zijn magnesium, scandium, aluminium en titaan. Legeringen Legeringen kunnen worden onderverdeeld in: Soldeerlegeringen Gietlegeringen Kneedlegeringen Steenachtige materialen Inleiding Tot deze groep rekenen we alle verbindingen van metalen met niet-metalen zoals oxiden van metalen (als aluminium, ijzer) carbiden van metalen (als ijzer) nitriden van metalen (als borium). Ook oxiden, nitriden en carbiden van silicium dat geen metaal is, worden tot de steenachtige materialen gerekend. Steenachtige materialen bestaan voor het belangrijkste deel uit silicaten, oxiden en carbiden. Fysische eigenschappen Bros, niet plastisch vervormbaar Treksterkte is klein Smelttemperatuur is hoog Thermische uitzettingscoëfficiënt is niet groot Slechte geleiders (zowel elektrisch als thermisch) Thermische schokweerstand is klein (scheurt bij grote verschillen) Door de poriën gemakkelijk door waterdamp te diffunderen Natuursteen Onderverdeling Stollingsgesteenten Gevormd door afkoeling, zoals graniet en basalt. Sedimentgesteenten Gevormd door laagsgewijze afzetting af afbraakproducten van stollingsgesteenten. Voorbeelden zijn zandsteen (kalk leem of kiezel) en kalksteen (o.a. kalkpantser van schelpdieren). Metamorfe gesteenten Ontstaan uit stollingsgesteenten of sedimentgesteenten onder extreem hoge temperatuur of druk. Voorbeelden hiervan zijn marmer (uit kalksteen) en leisteen (uit klei). 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 2
Winning en productie Ontgonning door 1. Explosieven 2. Splijten 3. Zagen Oppervlakteafwerking 1. brute bewerking 2. frijnen 3. schuren 4. zoeten 5. polijsten Milieutechnische aspecten band productie Uitputting van grondstof Energie Gezondheid van de werknemers Fysische Buig en treksterkten zijn klein (2 M.N /m 2 ) Druksterkte is wel groot (100 200 M.N / m 2 ) Duurzaamheid m.b.t. slijtage / erosie Hardheid van de korrels Samenhang tussen de korrels Thermische geleiding Bevriezing van water kan m.b.t. de poriën schade veroorzaken Chemische eigenschappen Duurzaamheid m.b.t. chemische aantasting Ontleding onder hoge temp. Natuursteen in de bouw (Zie blz. 14 + 15 Reader) Natuursteen wordt ook vaak gebruikt als grondstof voor verschillende bouwmaterialen (zie blz. 12 Reader) Kunststoffen Hoofdklassen Thermoplasten Gekenmerkt door stijfheid in omgevingstemperatuur en plastisch bij temperatuurverhoging. Thermoharders Gekenmerkt door vloeibaar of makkelijk vloeibaar te maken uitgangsproduct, dat bij hoge temperaturen een chemische reactie vertoont waardoor het uithardt. Eenmaal uitgehard kunnen thermoharders niet opnieuw in een plastische toestand geraken. Synthetische rubbers Lijken erg op thermoharders Structuur Moleculaire bouw van thermoplasten Homopolymeer Keten bevat een soort monomeer Co-polymeer Polymeerketen bevat meer dan een soort monomeer (SAN) Regelmatig of onregelmatig 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 3
Terpolymeer Bij 3 monomeren (ABS Eveneens regelmatig of onregelmatig Amorf polymeer Als het polymeer zeer verstrengeld is. Moleculaire opbouw van rubbers Thermoplasten liggen vlak naast de synthetische rubbers. Het grote verschil tussen thermoplasten er rubbers is dat bij rubbers de polymeerketens op sommige plaatsen chemisch met elkaar verbonden is (crosslink), meestel m.b.v. zwavel, waardoor een moleculair netwerk ontstaat (zie blz. 4). Bij belasting zorgen deze dwarsverbindingen dat de polymeerketens langs elkaar slippen, waardoor de vervorming geheel reversibel is. Moleculaire opbouw van thermoharders Net als bij rubbers is er spraken van een netwerk. Dit netwerk is echter zo nauw-mazig dat daarin vrijwel niet meer van lange molecuulketens gesproken kan worden. Voorbeeld van de opbouw op blz. 4. Noch temperatuurverhoging, nog oplosmiddel kunnen zolang de chemische binding niet vernietigd word, dit netwerk niet ontbinden. Belangrijkste kunststoffen Thermoplasten Polyetheen (PE) Zacht en taai 2 verschijningsvormen LDPE (lage dichtheid) en HDPE (hoge dichtheid en stijver) UHMPE (ultra hoge molecuul massa), interessant voor slag en kogelvaste panelen. Verpakkingsfolie, zakken, buizen, emmers, kratten, auto-onderdelen Polypropeen (PP) Nog iets harder dan PE, maar bij lage temp. laat het toch te wensen over. Verpakkingsfolie, vezels, buizen, kratten, flessen en vaten. Polyvinylchloride (PVC) Hard, bijna amorf polymeer Hardheid verbeterd door toevoeging van rubbers Verweekt omstreeks 85 o C Verpakkingsfolie, zakken, buizen, emmers, kratten, flessen en vaten. Polystyreen (PS) Amorf, hard en bros polymeer. Verwekingpunt rond 90 o C Ook gebruikt als piepschuim Verpakkingsfolie, zakken, buizen, emmers, kratten, flessen en vaten. Polynethylmethacrylaat (PMMA) Polyamide (PA) Polycarbonaat (PC) Polytetrafluoretheen (PTFE) Thermoharders Fenol-formaldehyde (PF) Onverzadigde polyesters (UP) 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 4
Epoxyhars (EP) Ployurethanen (PU) Synthetische rubbers Styreen-butadieen rubbers (SBR) Isopreenrubber(IR) of polyisopreen Siliconrubbers Thermoplastiche rubbers Polyurehaanrubber (PUR) Samengestelde kunststoffen Mengsels Versterking met deeltjes Versterking met korte glasvezels Gewapende thermoharders Schuimen Hout Inleiding Hout is een van de oudste bouwmaterialen. Het aardoppervlak is voor 9 % bos, waarvan maar 2/3 productief. Houtverbruik in de wereld is ca. 1 miljard ton per jaar, waarvan 1/3 voor constructieve doeleinden. Er zijn ca. 100.000 soorten hout op de wereld, waarvan verkrijgbaar 500 à 600. In Nederland zijn er ca. 80 soorten in de handel. In de bouw wordt het meest gebruik gemaakt van vurenhout. Daarnaast wordt ook gebruik gemaakt van: Grenen Amerikaanse naaldhoutsoorten Enkele loofhoutsoorten. Functies van een bos Houtproductie Regulatie waterafvoer Klimatologisch Voorkomen bodemerosie Recreatie De groei De jonge cel bestaat uit protoplasma met kern en celwand. We onderscheiden in het leven van een cel: 1. Celdeling (uitgaande van de kern) 2. Celsterking 3. Celwandverdikking (cel wordt oud) Later verdwijnt de kern en is celdeling niet meer mogelijk. 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 5
Mechanische eigenschappen Inleiding Hele belangrijke eigenschap is mechanisch gedrag => respons van het materiaal op uitwendige belastingen in de vorm van krachten, zoals massa's of wind dit tegen het materiaal aanwaait. Door de krachten treden er vervormingen op, zoals scheuren, buigen, breken, enz. Wet van Hooke Basis Bij deze wet is de spanning σ evenredig met de vervorming ε met als evenredigheidsconstante de elasticiteitsmodulus E: σ = E ε Waarbij σ gelijk is aan de druk- of treksterkte (N / mm 2 ) en ε de relatieve verkorting of verlenging is. Daardoor wordt E ook uitgedrukt in N / mm 2. De vervorming ε wordt berekend d.m.v. de formule ε = l / l met l als lengteverandering. Er zijn verschillende E-modulus. E o = Raaklijn in de oorsprong. Deze geeft aan hoe het materiaal vervormt bij zeer lage spanning E s = Secantmodulus. Deze geeft aan hoe het materiaal vervormt bij hogere spanningen, in de buur van de toelaatbare spanning E t = Tangensmodulus. Deze geeft de vervormingen bij mogelijk overschrijding van de toelaatbare spanning. Deze is een soort raaklijk aan de grafiek E t volgt uit de E o uit de wiskundige overweging dat als dσ = E dε => E = dσ / dε = E t E s wordt gebruikt voor de berekening van de sterkte E t wordt gebruikt voor de berekening van de maximale spanning Een paar elasticiteitsmodulus (E o ): Metalen staal 210.000 N / mm 2 aluminium 70.000 N / mm 2 Silicaten metselwerk 75.000 N / mm 2 beton 30.000 N / mm 2 glas 65.000 N / mm 2 Polymeren hout // vezel 10.000 N / mm 2 hout vezel 300 N / mm 2 kunstof 3.000 N / mm 2 glasvezelgew. kunstof 20.000 N / mm 2 Schuifspanning De schuifspanning is af te leiden uit de basis. Hij is als volgt: G = τ / γ Hierin is G de glij-modulus, τ de schuifspanning en γ de hoekverdraaiing. Tussen E en G is een verband. Temperaturen Het blijkt dat ε niet alleen verandert ten gevolge van belastingen (ε belastingen ), maar ook door bijv temperatuurverschillen (ε temperatuur ) en krimp (ε krimp ). Dus ε = ε belastingen + ε temperatuur + ε krimp. De uitzettingscoëfficiënt bij temperaturen is α. Door temperatuur: l = l α t Hieruit is af te leiden dat σ = E α t. 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 6
Uitzettingscoëfficiënten α in 10-6 / o C: Metalen staal 12 aluminium 24 Silicaten baksteen 6 kalkzandsteen 10 metselwerk 8 beton 12 glas 9 Polymeren hout // vezel 4 hout vezel 30 kunstof 60-120 glasvezelgewapend kunstof 40 60 Fluida water 200 lucht 3400 Dwarsconstructie Coëfficiënt van Piosson (µ) Voor verlenging geldt: ε = l / l Voor verbreding geldt: ε = b / b = µ ε Waarin µ = dwarsconstructie = coëfficiënt van Piosson Voorbeelden van µ: Natuursteen, beton 0,20 Glas 0,24 Staal 0,29 Koper, aluminium 0,33 Lood 0,43 Verband tussen E en G => G = E / 2 (1 + µ) Wat je moet kunnen zien aan een grafiek Sterker / zwakker (hoogste boog) Brosser / taaier (breekpunt = eind) Stugger / weker (vloeigrens) Stijver / slapper (steilheid van de startlijn) Gedrag van verschillende materiaalsoorten Kristallijne materialen E is hoog doordat dat aangebrachte spanning tegengesteld is aan de evenwichtsherstellende krachten. Elastisch gedrag bij druk (-) is gelijk aan die bij trek (+). Elastomeren Trekbelasting Eerst richten van ketens, daarna worden de ketens gerekt. Daarom vertonen elastomeren bij trek een niet-lineair elastisch gedrag. Bij druk wordt eerst een doelmatige vulling van de ruimte in het materiaal verkregen. Naarmate deze ruimtes vol raken neemt de weerstand tegen verdere indrukking toe tot tenslotte de primaire bindingskrachten binnen de ketens de aangebrachte spanning gaan tegenwerken. Drukbelasting Bij drukbelasting neemt dus de helling van de spannings-struik-kromme toe naarmate de vervorming groter wordt. Cellulaire materialen Drukbelasting Sommige cellulaire materialen (hout) zijn bij drukbelasting tamelijk stijf totdat de spanning hoog genoeg is om de celwanden elastisch te laten knikken. Daarna treed aanzienlijke struik op, zonder dat de spanning toeneemt. Vervolgens neemt de stijfheid weer toe naarmate de cellen meer ingedrukt worden, tot de cellen verbrijzeld zijn, waarna de struik niet meer terugkomt. 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 7
Trekbelasting Cellen knikken niet elastisch Elasticiteit, plasticiteit en viscositeit Elasticiteit Bij elastische vervorming zal het materiaal direct na het wegnemen van de oorzaak (spanning, temperatuur) geheel terugkeren toto de oorspronkelijke toestand: Kristallijne materialen => lineair elastisch Elastomeren => niet-lineair elastisch Plasticiteit en viscositeit Bij deze vervormingen verdwijnen de deformaties niet na opheffing van de oorzaak. Plastische vervorming onstaat pas nadat de spanning een zekere waarde heeft bereik (vloeispanning, zwichtspanning). Definities Stijfheid Vermogen weerstand te bieden tegen elastische vervorming. Stevigheid Vermogen weerstand te bieden tegen intreden of voortschrijden van plastische (blijvende) vervorming. Vevormbaarheid Vermogen o.i.v. mechanische belasting van vorm te veranderen zonder dat de samenhang wordt verbroken. Taaiheid Vermogen om mechanische arbeid op te nemen tot breuk optreed Arbeid Opmerking [JHE1]: Moet je nog maar ff naar kijken jongen, misschien maar gewoon overtypen. Proeven Trekproef Vooral op staal uitgevoerd. De lengte l van de staaf wordt l (1 + ε µ) De breedte b wordt b (1 - ε µ) De dikte d wordt d (1 - ε µ) Het volume van de staaf wordt dus l b d (1 + ε µ) (1 - ε µ) 2. Dit wordt na verwaarlozing van de hogere machten bij verdere uitwerking => l b d (1 + ε - 2 ε µ) Dit is dus gelijk aan V + V => V / V = ε (1 2 µ) Belangrijke parameters voor de proef: Treksnelheid Temperatuur Chemische condities (corrosief) Bij zacht staal treden vrij grote vervormingen op. Dit komt doordat in de kristallen bepaalde vlakken aanwezig zijn die makkelijker over elkaar glijden dan andere. Het vloeien begint bij het bereiken van de bovenste vloeigrens waarna voor het ontwikkelen van de glijvlakken minder kracht nodig is (onderste vloeigrens). Deze vervormingen zijn dus niet elastisch, d.w.z. na wegnemen van de belasting treed een blijvende deformatie op. De spanning waarboven blijvende vervorming optreedt is moeilijk vast te stellen, daarom neemt men meestal een spanning van 0,2 % of σ 0,2. Het vloeien stopt doordat het voortschrijden van het aantal toenemende dislocaties (roosterfouten) wordt verhinderd, waarna het zgn. verstevigingsgebied de spanning weer op gaat lopen tot insnoering en later breuk ontstaat. Na het optreden van insnoering vormen zich in het centrum van de insnoering kleine holte die verder uitgroeien. De holtes verenigen tot lensvormige holten in het centrum. Na het uitgroeien van deze holte treed tenslotte afschuiving op van de resterende rand onder ca. 45 o. 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 8
Koude vervorming Bij eerdere vervorming kan bij een volgende keer meer kracht opgenomen worden, maar minder vervorming. Voor verdere uitleg zie blz. 56 (van de extra bijlage van de reader). Drukproef Men kan zeggen dat σ cyl. σ prisma 0,8 σ kubus. Voor het meten van de druksterkte van bakstenen, worden ze door middengezaagd en met 2 helften met zwavel en zand ertussen in de drukpers gedaan. Bij lage steensterkte geldt: muursterkte = ca. 1/3 à ½ steensterkte. Bij hoge steensterkte geldt: muursterkte = ca. ¼ à 1/3 steensterkte. Beiden zijn natuurlijk afhankelijk van de sterkte van de gebruikt mortel. Enkele oriënterende cijfers: Metalen Silicaten of Keramische materialen Materialen Vloeigrens Druksterkte of 0,2 % Treksterkte rekgrens N/mm N/mm N/mm aluminium 300 160 300 zachtstaal 400 220 400 baksteen 25-1 kalkzandsteen 25-1 mortel 8-1,5 metselwerk 13-0,5 beton 30-65 - 3 glas - - 60 Polymeren hout // vezel 8-10 hout vezel 1,5-0,5 kunstoffen 100-50 glasvezelgewapend kunststof - - 140 Factoren die de uitkomst kunnen beïnvloeden 1. Onjuist proefstuk. Drukvlak niet vlak, daardoor spanningsconcentratie Drukvlakken niet planparallel; doordat een drukplaat van de pers is voorzien van een kogelscharnier wordt deze invloed beperkt. Scheluwte bij een buigproefstuk; doordat een der oplegrollen beweeglijk is, wordt ook deze invloed beperkt. 2. Onjuist opstellen in de beproevingsmachine. Drukproefstuk niet in centrum van de drukplaten de pers. Bij een trekproef als de bekken van de pers niet nauwkeurig boven elkaar liggen. 3. Vochtgehalte van het materiaal indien dit poreus is De sterkte in droge toestand is 1,2 à 2,0 die in natte toestand (gips ca. 2, hout tot 1,5, beton 1,15). Voor vergelijkingen moet men op het vochtgehalte letten cq dit voorschrijven. 4. Temperatuur. Veelal geen invloed, indirect bij vochtige poreuze materialen doordat het vochtgehalte van de temperatuur afhankelijk is. Na drogen trekken vele materialen vocht aan, dan zodanig afkoelen dat dit niet kan gebeuren. 5. Belastingssnelheid. Bij hoge belastingssnelheid wordt een hogere sterkte bereikt dan wanneer deze snelheid laag is. Ook tijdens de proef moet de belastingssnelheid constant worden gehouden, tegenwoordig geeft met de voorkeur aan de constantheid van de vervormingssnelheid. Kruip Inleiding Wanneer bij een belasting een elastische vervorming optreedt, zal de vervorming in de loop der tijd toenemen onder diezelfde belasting. Dus ε totaal = ε elastisch + ε kruip. Kruip ontstaat alleen bij constante spanning. 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 9
Spanningsrelaxatie Blijft de ε totaal gelijk (ingeklemde balk) dan zal als de ε kruip toeneemt met de tijd, de spanning afnemen. Dit heet spanningsrelaxatie. Spanningsrelaxatie onstaat alleen bij constante afmeting. In de praktijk Hoe lager de belastingssnelheid, des te lager de breuksterkte (= hoe langer de belasting hoe lager de breuksterkte). De asymptoot bedraagt voor de verschillende materialen: Alles in percentages van de breuksterkte (behaald bij het doorvoeren van de belasting tot het bezwijkt) Hout ca. 55 % Beton ca. 75 % Kunststoffen ca. 30 % Duurzaamheid Door het milieu zo veel mogelijk te ontlasten moet worden gezocht naar materialen die niet schadelijk zijn en die lang meegaan => Duurzaamheid! 06 oktober 2010 Samenvatting van de Reader voor Civieltechnische Materiaalkunde blz. 10