Vormbaarheid
Sommige materialen breken zeer scherp, zonder plastische vervorming, in wat een brosse breuk wordt genoemd. Andere, meer ductiele materialen, waaronder de meeste metalen, ondergaan enige plastische vervorming en mogelijk halsvorming vóór breuk. In de materiaalkunde is vervormbaarheid het vermogen van een materiaal om grote plastische vervormingen te ondergaan alvorens te bezwijken, en het is een van de zeer belangrijke kenmerken waarmee ingenieurs bij het ontwerp rekening houden. Vervormbaarheid kan worden uitgedrukt als rekpercentage of oppervlakteverminderingspercentage van een trekproef. Vervormbaarheid is een belangrijke factor om een constructie in staat te stellen extreme belastingen, zoals die ten gevolge van grote drukveranderingen, aardbevingen en orkanen, te overleven zonder plotseling te bezwijken of in te storten. Het wordt gedefinieerd als:
In het geval van een trekproef wordt de vervormbaarheid gemeten door een procentuele vermindering van het oppervlak. Het meet de mate van vernauwing (of verandering in doorsnede) die optreedt vóór het uiteindelijke bezwijken als volgt:
Het is mogelijk enkele gemeenschappelijke kenmerken te onderscheiden in de spanning-rekkrommen van verschillende groepen materialen. Op basis hiervan kunnen materialen in twee grote categorieën worden onderverdeeld, namelijk:
- Vervormbare materialen. Vervormbaarheid is het vermogen van een materiaal om onder spanning te worden uitgerekt. Vervormbaar materiaal zal meer vervormen (uitrekken) dan bros materiaal. Kneedbare materialen vertonen grote vervorming vóór breuk. Bij ductiele breuk vindt vóór de breuk uitgebreide plastische vervorming (halsvorming) plaats. Vervormbare breuk (afschuifbreuk) is beter dan brosse breuk, omdat er sprake is van langzame voortplanting en absorptie van een grote hoeveelheid energie vóór de breuk. Vervormbaarheid is wenselijk in de hoge temperatuur- en hogedruktoepassingen in reactorinstallaties wegens de extra spanningen op de metalen. Hoge ductiliteit in deze toepassingen helpt brosse breuk te voorkomen.
- Brosse materialen. Brosse materialen, wanneer onderworpen aan spanning, breken met weinig elastische vervorming en zonder significante plastische vervorming. Brosse materialen absorberen relatief weinig energie voorafgaand aan breuk, zelfs die met een hoge sterkte. In brosse breuk (transgranulaire splijting), vindt geen duidelijke plastische vervorming plaats vóór breuk. Scheuren verspreiden zich snel.
Het onderscheid tussen brosheid en taaiheid is niet gemakkelijk te maken, vooral omdat zowel taaiheid als brosheid niet alleen afhankelijk zijn van het materiaal in kwestie, maar ook van de aard en het type spanning, de snelheid van de belasting (vermoeiingsslijtage) en de temperatuur (taaiheid-brosheid overgang). De volgende figuur toont een typische spanning-rek kromme van een ductiel materiaal en een bros materiaal. Een ductiel materiaal is een materiaal, waarbij de sterkte klein is, en het plastische gebied groot. Het materiaal zal meer rek (vervorming) verdragen alvorens te breken. Een bros materiaal is een materiaal waarbij het plastische gebied klein is en de sterkte van het materiaal groot. De trekproef levert drie beschrijvende feiten over een materiaal. Dit zijn de spanning waarbij de waarneembare plastische vervorming of “rek” begint; de uiteindelijke treksterkte of maximale belasting die onder spanning kan worden gedragen; en de procentuele rek of rek (de mate waarin het materiaal zal rekken) en de bijbehorende procentuele vermindering van de dwarsdoorsnede als gevolg van het rekken. Ook het breukpunt kan worden bepaald.
Ductiliteit en Taaiheid
Ductiliteit wordt meestal gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om gemakkelijk te vervormen bij de toepassing van een trekkracht, of als het vermogen van een materiaal om plastische vervorming te weerstaan zonder te breken. Vervormbaarheid kan ook worden opgevat in termen van buigzaamheid en pletbaarheid. Als twee materialen dezelfde sterkte en hardheid hebben, is het materiaal met de hogere vervormbaarheid meestal het meest gewenst. De vervormbaarheid van veel metalen kan veranderen als de omstandigheden worden gewijzigd. Een verhoging van de temperatuur verhoogt de vervormbaarheid. Een daling van de temperatuur zal een vermindering van de vervormbaarheid veroorzaken en een verandering van vervormbaar naar bros gedrag. Vervormbare breuk (afschuifbreuk) is beter dan brosse breuk, omdat er sprake is van een langzame voortplanting en een absorptie van een grote hoeveelheid energie vóór de breuk. Vervormbaarheid is wenselijk bij toepassingen bij hoge temperatuur en druk in reactorinstallaties vanwege de extra spanningen op de metalen. Een hoge vervormbaarheid in deze toepassingen helpt brosse breuk te voorkomen. Vervormbaarheid draagt ook bij tot een andere materiaaleigenschap die taaiheid wordt genoemd. Taaiheid is een combinatie van sterkte en taaiheid in één meetbare eigenschap en vereist een evenwicht tussen sterkte en taaiheid.
Taaiheid is het vermogen van een materiaal om energie te absorberen en plastisch te vervormen zonder te breken. Eén definitie van taaiheid (of meer specifiek, breuktaaiheid) is dat het een eigenschap is die de breukvastheid van een materiaal aangeeft wanneer er een scheur (of ander spanningsconcentrerend defect) aanwezig is. De taaiheid wordt gewoonlijk gemeten met de Charpy-proef of de Izod-proef. De kerfslagproef meet de taaiheid onder omstandigheden van plotselinge belasting en de aanwezigheid van gebreken zoals inkepingen of scheuren die de spanning concentreren op zwakke punten. Taaiheid kan ook worden gedefinieerd met betrekking tot gebieden van een spanning-rekdiagram. Taaiheid is gerelateerd aan het gebied onder de spanning-rek kromme. De spanning-rek kromme meet de taaiheid onder geleidelijk toenemende belasting. Om taai te zijn, moet een materiaal zowel sterk als ductiel zijn. De volgende figuur toont een typische spanning-rek kromme van een taai materiaal en een bros materiaal. Bijvoorbeeld, brosse materialen (zoals keramiek) die sterk zijn maar met beperkte taaiheid zijn niet taai; omgekeerd zijn zeer taaie materialen met lage sterktes ook niet taai. Om taai te zijn, moet een materiaal zowel hoge spanningen als hoge vervormingen kunnen weerstaan.
Brosse-brosse overgangstemperatuur
Zoals geschreven is het onderscheid tussen brosheid en vervormbaarheid niet gemakkelijk te maken, vooral omdat zowel vervormbaarheid als bros gedrag niet alleen afhankelijk zijn van het materiaal in kwestie, maar ook van de temperatuur (vervormbaar-brosse overgang) van het materiaal. Het effect van de temperatuur op de aard van de breuk is van groot belang. Veel staalsoorten vertonen taaie breuk bij hoge temperaturen en brosse breuk bij lage temperaturen. De temperatuur waarboven een materiaal taai is en waarbeneden het bros is, staat bekend als de taai-bros overgangstemperatuur (DBTT), nihil taaiheidstemperatuur (NDT), of nihil taaiheid overgangstemperatuur. Deze temperatuur is niet nauwkeurig, maar varieert naar gelang van de voorafgaande mechanische en thermische behandeling en de aard en de hoeveelheden van de onzuiverheden. Zij kan worden bepaald door een of andere valproef (bijvoorbeeld de Charpy- of Izod-test).
De vervormbaar-brosse overgangstemperatuur (DBTT) is de temperatuur waarbij de breukenergie onder een vooraf bepaalde waarde daalt (bv. 40 J voor een standaard Charpy-slagproef). Vervormbaarheid is een essentiële vereiste voor staalsoorten die gebruikt worden bij de constructie van reactoronderdelen, zoals het reactorvat. Daarom is de DBTT van belang voor de werking van deze vaten. In dit geval bepaalt de korrelgrootte de eigenschappen van het metaal. Zo verhoogt een kleinere korrelgrootte de treksterkte, neigt tot een grotere vervormbaarheid en resulteert in een afname van de DBTT. De korrelgrootte wordt gecontroleerd door warmtebehandeling bij de specificaties en vervaardiging van reactorvaten. De DBTT kan ook worden verlaagd door kleine toevoegingen van geselecteerde legeringselementen zoals nikkel en mangaan aan koolstofarme staalsoorten.
Typisch zijn de laaggelegeerde reactordrukvatstalen ferritische staalsoorten die het klassieke taaie-bros overganggedrag vertonen bij dalende temperatuur. Deze overgangstemperatuur is van het grootste belang tijdens het opwarmen van de installatie.
Faalwijzen:
- Lage taaiheidsregio: De belangrijkste breukwijze is de brosse breuk (transgranulaire splijting). Bij brosse breuk vindt er geen duidelijke plastische vervorming plaats vóór de breuk. De scheuren verspreiden zich snel.
- Hoog taaiheidsgebied: De belangrijkste breukwijze is de taaie breuk (afschuifbreuk). In taaie breuk vindt uitgebreide plastische vervorming (halsvorming) plaats vóór de breuk. Vervormbare breuk is beter dan brosse breuk, omdat er een langzame voortplanting is en een grote hoeveelheid energie wordt geabsorbeerd voordat de breuk optreedt.
In sommige materialen is de overgang scherper dan in andere en is typisch een temperatuurgevoelig vervormingsmechanisme nodig. Bijvoorbeeld, in materialen met een body-centered cubic (bcc) rooster is de DBTT gemakkelijk duidelijk, aangezien de beweging van de schroef dislocaties zeer temperatuurgevoelig is omdat de herschikking van de dislocatie kern voorafgaand aan de slip thermische activering vereist. Dit kan problematisch zijn voor staalsoorten met een hoog ferrietgehalte. Dit heeft geleid tot ernstige scheurvorming in de romp van Liberty-schepen in koudere wateren tijdens de Tweede Wereldoorlog, waardoor veel schepen gezonken zijn. De schepen waren gebouwd van een staallegering die volgens de trekproeven bij kamertemperatuur voldoende taaiheid bezat. De brosse breuken traden op bij relatief lage omgevingstemperaturen, bij ongeveer 4°C (40°F), in de buurt van de overgangstemperatuur van de legering. Opgemerkt moet worden dat FCC-metalen met lage sterkte (b.v. koperlegeringen) en de meeste HCP-metalen geen overgang van taai naar bros ondervinden en ook bij lagere temperaturen taai blijven. Anderzijds ondervinden vele hoge-sterkte metalen (b.v. zeer hoge-sterktestalen) ook geen overgang van taaiheid naar brosheid, maar in dit geval blijven zij zeer bros.
DBTT kan ook worden beïnvloed door externe factoren zoals neutronenstraling, die leidt tot een toename van interne roosterafwijkingen en een overeenkomstige afname van de taaiheid en toename van DBTT.
Irradiation Embrittlement
Tijdens de werking van een kerncentrale worden het materiaal van het reactordrukvat en het materiaal van andere reactorinterne onderdelen blootgesteld aan neutronenstraling (vooral aan snelle neutronen >0,5MeV), wat resulteert in plaatselijke verbrossing van het staal en de lassen in het gebied van de reactorkern. Dit verschijnsel, bekend als bestralingsverbrossing, resulteert in de gestage toename van de DBTT. Het is niet waarschijnlijk dat de DBTT de normale bedrijfstemperatuur van het staal zal benaderen. Er bestaat echter een mogelijkheid dat tijdens het stilleggen van de reactor of tijdens een abnormale afkoeling de temperatuur daalt tot onder de DBTT-waarde terwijl de interne druk nog hoog is. Daarom eisen de nucleaire regelgevers dat in watergekoelde kernreactoren een materiaalbewakingsprogramma voor het reactorvat wordt uitgevoerd.
Zie ook: Neutronenreflector
Stralingsverbrossing kan leiden tot verlies van breuktaaiheid. Gewoonlijk zijn de laaggelegeerde reactordrukvatstalen ferritische staalsoorten die het klassieke taaie-bros overgangsgedrag vertonen bij dalende temperatuur. Deze overgangstemperatuur is van het grootste belang tijdens het opwarmen van de installatie.
Faalwijzen:
- Lage taaiheidsregio: De belangrijkste breukwijze is de brosse breuk (transgranulaire splijting). Bij brosse breuk vindt er geen duidelijke plastische vervorming plaats vóór de breuk. De scheuren verspreiden zich snel.
- Hoog taaiheidsgebied: De belangrijkste breukwijze is de taaie breuk (afschuifbreuk). In taaie breuk vindt uitgebreide plastische vervorming (halsvorming) plaats vóór de breuk. Kneedbare breuk is beter dan brosse breuk, omdat er een langzame voortplanting is en een grote hoeveelheid energie wordt geabsorbeerd voordat de breuk optreedt.
Neutronenbestraling heeft de neiging de temperatuur te verhogen (de temperatuur van de overgang van kneedbaar naar bros) waarbij deze overgang optreedt en heeft de neiging de taaiheid van het kneedbare te verminderen.