Bij de verspanende bewerking en het ontwerpen van nieuwe producten heeft de keuze van het staal een directe invloed op de sterkte van het onderdeel, de bewerkingsmoeilijkheid, de levensduur en de productiekosten. Om ingenieurs, inkopers en productontwerpers te helpen de prestaties van staal beter te begrijpen, worden in dit artikel belangrijke sterkte-indicatoren zoals treksterkte, vloeigrens en uithoudingssterkte toegelicht, terwijl ook veelvoorkomende staalsoorten en typische toepassingen van onderdelen worden geanalyseerd. Het biedt een praktische leidraad voor materiaalkeuze en de planning van bewerkingsprocessen.
Type staalsterkte
Vloeigrens van staal
De vloeigrens van staal verwijst naar de spanning waarbij staal zichtbare plastische vervorming begint te vertonen, wat betekent dat er blijvende vervorming optreedt. Deze waarde geeft het vermogen van staal weer om vervorming te weerstaan en wordt doorgaans berekend als σy = Fy / A0, waarbij Fy is de opbrengstbelasting en A0 is de oorspronkelijke dwarsdoorsnede. De gebruikelijke eenheid is MPa of N/mm².
Over het algemeen moet de ontwerpspanning onder de vloeigrens worden gehouden om blijvende buig-, trek- of drukvervorming tijdens het gebruik te voorkomen. Voor roestvrij staal of hoogsterkte staal zonder duidelijke vloeigrens geldt dat de 0,21 TP3T-proefsterkte, Rp0,2, wordt meestal gebruikt om de vloeigrens aan te duiden.
Invloedsfactoren:
Elementen zoals koolstof, mangaan en silicium kunnen in het kristalrooster oplossen en daar vervormingen veroorzaken, waardoor de vloeigrens van staal wordt verbeterd door middel van versterking via vaste-oplossing;
Microlegeringselementen zoals niobium, vanadium en titanium kunnen fijne carbide- of nitride-deeltjes vormen, dislocaties vastzetten en de korrelgroei remmen, waardoor de sterkte nog verder toeneemt.
Daarentegen hebben onzuiverheden zoals fosfor en zwavel de neiging zich af te zetten aan korrelgrenzen of insluitsels te vormen, waardoor de binding aan de korrelgrenzen wordt verzwakt, de brosheid toeneemt en het stabiele draagvermogen van staal in de praktijk afneemt.
Treksterkte van staal
Onder treksterkte wordt verstaan de maximale technische spanning die staal bij een standaard trektest kan weerstaan voordat het breekt; deze wordt doorgaans berekend als σb = Fmax / A0, waarbij Fmax is de maximale trekbelasting en A0 is de oorspronkelijke dwarsdoorsnede. De gebruikelijke eenheid is MPa of N/mm². Deze wordt soms ook wel de maximale treksterkte van staal genoemd. Deze waarde geeft het kritieke punt aan waarop het materiaal overgaat van gelijkmatige plastische vervorming naar plaatselijke vervorming, oftewel versmalling, en geeft de maximale draagkracht van het materiaal bij statische trekbelasting weer.
Factoren die van invloed zijn op de treksterkte van staal:
Een juiste verhoging van het koolstofgehalte kan de treksterkte verbeteren, maar een te hoog koolstofgehalte vermindert de vervormbaarheid en de taaiheid en kan het staal zelfs broos maken, waardoor de trekprestaties achteruitgaan.
Legeringselementen zoals mangaan, silicium, chroom, molybdeen en vanadium kunnen de staalmatrix versterken door middel van versterking via vaste oplossingen, versterking door carbiden en korrelverfijning;
Nikkel kan ook de sterkte verbeteren met behoud van een goede vervormbaarheid, en stikstof zorgt voor een aanzienlijk versterkend effect door middel van een interstitiële vaste-oplossing in duplex roestvast staal.
Daarentegen vormen schadelijke onzuiverheden zoals zwavel, fosfor en zuurstof gemakkelijk insluitsels of veroorzaken ze segregatie aan korrelgrenzen, waardoor de materiaalcontinuïteit en de taaiheid worden aangetast en de werkelijke treksterkte van staal afneemt.
Afschuifsterkte van staal
De afschuifsterkte van staal verwijst naar de maximale spanningswaarde waarbij staal weerstand biedt tegen relatieve verschuiving, afschuifvervorming of afschuifbreuk tussen aangrenzende delen onder invloed van een afschuifkracht; deze wordt doorgaans berekend als τ = F / A, waarbij F is de schuifkracht en A is het afschuifoppervlak. De gebruikelijke eenheid is MPa of N/mm². Het is een belangrijke indicator voor het beoordelen van het draagvermogen van onder schuifbelasting staande onderdelen, zoals bouten, klinknagels, pennen, lasnaden en verbindingsplaten.
Factoren die van invloed zijn op de afschuifsterkte van staal:
Een hoger koolstofgehalte kan indirect de weerstand tegen afschuifbreuk vergroten;
Legeringselementen zoals mangaan, chroom en molybdeen kunnen de afschuifweerstand verbeteren door middel van versterking via vaste-oplossingen, korrelverfijning en een verbeterde microstructurele stabiliteit.
Schadelijke onzuiverheden zoals fosfor en zwavel kunnen echter gemakkelijk broze insluitsels vormen of de binding aan de korrelgrenzen verzwakken, waardoor staal onder schuifbelastingen gevoeliger wordt voor scheuren of bros breken en de schuifsterkte en taaiheid afnemen.
Uithoudingssterkte van staal
“Duurweerstand” is geen standaard, op zichzelf staande mechanische eigenschap. Deze wordt bepaald door zowel de kruipbreuksterkte als de vermoeidheidssterkte, die samen de veilige levensduur van staal onder langdurige bedrijfsomstandigheden bepalen. Aangezien het geen enkele vaste waarde betreft, wordt deze eigenschap doorgaans beoordeeld aan de hand van de kruipbreukspanning of de vermoeidheidssterkte, die gewoonlijk worden uitgedrukt als σ = F / A0 of spanningsamplitude σa = (σmax – σmin) / 2, met eenheden van MPa of N/mm².
Kruipbreuksterkte:
Dit verwijst naar de maximale spanningswaarde die staal kan weerstaan zonder te breken na een bepaalde periode bij een gegeven hoge temperatuur en onder constante trekspanning, doorgaans 100.000 uur, of ongeveer 11,4 jaar. Het geeft voornamelijk de weerstand van het materiaal tegen kruipbreuk weer.
Factoren die van invloed zijn op de kruipbreuksterkte van staal:
Elementen zoals chroom, molybdeen, vanadium, niobium en wolfraam kunnen de microstructurele stabiliteit en de kruipweerstand van staal bij hoge temperaturen verbeteren door middel van versterking via vaste-oplossing, versterking via neerslag en de vorming van stabiele carbiden of nitriden; terwijl onzuiverheden zoals fosfor en zwavel gemakkelijk bronnen van scheuren bij hoge temperaturen kunnen worden en de kruipscheursterkte kunnen verminderen.
Vermoeidheidssterkte van staal
Dit verwijst naar de maximale spanningswaarde die staal kan weerstaan bij cyclische wisselbelasting gedurende een oneindig aantal cycli, doorgaans 10^7 cycli, zonder te breken. Voor materialen zonder duidelijke vermoeidheidsgrens verwijst het naar de spanning waarbij bij een bepaald aantal cycli, zoals 10^7 cycli, geen breuk optreedt.
Invloedsfactoren:
Koolstof en legeringselementen zoals Mn, Cr, Mo en V kunnen de vermoeidheidssterkte verbeteren via mechanismen zoals versterking door vaste-oplossing en fijnkorrelversterking. Niet-metalen insluitsels zoals oxiden en sulfiden kunnen echter bronnen van interne spanningsconcentratie vormen en het ontstaan van vermoeidheidsscheuren bevorderen; daarom is staal met een hoge zuiverheidsgraad gunstiger voor het verbeteren van de vermoeidheidsprestaties.
Breuksterkte van staal
De breuksterkte verwijst naar de spanningswaarde die overeenkomt met het moment van breuk tijdens een trektest, en geeft het maximale draagvermogen van het materiaal aan vóór definitief bezwijken. Het is de spanning waarbij het proefstuk daadwerkelijk breekt. Bij ductiele staalsoorten, zoals koolstofarm staal, treedt er vóór de breuk een inkrimping op, waardoor de technische breuksterkte doorgaans lager is dan de treksterkte; bij meer brosse staalsoorten ligt de breuksterkte vaak relatief dicht bij de treksterkte.
Invloedsfactoren:
Een hoger koolstofgehalte leidt doorgaans tot een hogere sterkte, maar gaat ten koste van de ductiliteit en de taaiheid; legeringselementen zoals mangaan en nikkel dragen bij aan een betere taaiheid, terwijl fosfor, zwavel en niet-metalen insluitsels zoals oxiden en sulfiden gemakkelijk segregatie aan korrelgrenzen kunnen veroorzaken of scheurbronnen kunnen vormen, waardoor de breukweerstand aanzienlijk wordt verzwakt.
Druksterkte van staal
De druksterkte is de maximale spanning die staal onder drukbelasting kan weerstaan voordat het bezwijkt, knikt of overmatige plastische vervorming ondergaat. Deze wordt doorgaans berekend als σc = Fmax / A0, waarbij Fmax is de maximale drukbelasting en A0 is de oorspronkelijke dwarsdoorsnede, met als eenheden MPa of N/mm². Bij ductiele materialen zoals staal leidt dit doorgaans tot plastische vervorming of uitpuilen in plaats van tot een plotselinge breuk, en de druksterkte ligt over het algemeen dicht bij of iets hoger dan de treksterkte.
Invloedsfactoren:
Een hoger koolstofgehalte kan de druksterkte van staal verbeteren, maar het vermindert de ductiliteit en de taaiheid; legeringselementen zoals mangaan, silicium, chroom en molybdeen kunnen de matrix versterken door middel van versterking via vaste oplossingen of carbidevorming, terwijl onzuiverheden en insluitsels zoals fosfor en zwavel de materiaalcontinuïteit kunnen aantasten en de druksterkte kunnen verzwakken.
Overzichtstabel met vergelijkingen
| Naam van de parameter | Kernbegrip | Belangrijkste technische betekenis |
| Vloeigrens | Kritische spanning waarbij plastische vervorming begint | Ontwerpbasis voor het voorkomen van blijvende constructievervorming |
| Treksterkte | Maximale spanning vóór trekbreuk | Maximaal draagvermogen en veiligheidsreserve van het materiaal |
| Afschuifsterkte | Maximale schuifspanning waarbij schuifbreuk optreedt | Ontwerpbasis voor verbindingselementen en schuifbestendige onderdelen |
| Uithoudingsvermogen Kracht | Vermogen om bij cyclische belasting weerstand te bieden tegen bezwijken (meestal bedoeld als vermoeiingssterkte) | Levensduurberekening voor onderdelen die worden blootgesteld aan trillingen en wisselende belastingen |
| Breuksterkte | Vermogen om scheuruitbreiding tegen te gaan (meestal bedoeld als breuktaaiheid) | Veiligheidsbeoordeling met betrekking tot brosse breuken in constructies met defecten |
| Druksterkte | Maximale drukspanning vóór breuk bij drukbelasting | Ontwerpbasis voor drukelementen, zoals kolommen en funderingen |
Veelgebruikte staalsoorten voor verspaning
Constructiestaal
Constructiestaal is een technisch staal op basis van ijzer en koolstof, met gespecificeerde sterkte, ductiliteit en vervormbaarheid. Het wordt voornamelijk gebruikt voor dragende bouwonderdelen, mechanische onderdelen en technische constructieonderdelen. De belangrijkste eis is een goed draagvermogen, waarbij ook rekening wordt gehouden met taaiheid, lasbaarheid en bewerkbaarheid. Het wordt doorgaans onderverdeeld in koolstofbouwstaal en gelegeerd bouwstaal.
A36-staal
De vloeigrens van A36-staal is ≥250 MPa. Wanneer de dikte van een A36-staalplaat >203 mm is, bedraagt de vereiste vloeigrens ≥220 MPa. Dit staal behoort tot het constructiestaal met normale sterkte. Voor kritieke dragende delen die worden blootgesteld aan hoge sterkte, hoge druk, hoge temperaturen, zware belastingen of lage temperaturen, moeten staalsoorten zoals A572 en A588 worden overwogen.
De treksterkte van A36-staal bedraagt 400-550 MPa, waarmee wordt voldaan aan de belastingseisen voor algemene bouwconstructies, beugels, grondplaten, verbindingsstukken en gewone mechanische constructieonderdelen.
Er is geen direct vastgelegde standaardwaarde voor de afschuifsterkte van A36-staal. In de technische praktijk wordt deze doorgaans geschat op 0,6 keer de treksterkte, oftewel ongeveer 240-330 MPa.
A992-staal
De vloeigrens van A992-staal bedraagt ≥345 MPa, waardoor het een constructiestaal met gemiddelde tot hoge sterkte is. In vergelijking met A36 biedt A992 een hoger draagvermogen en een betere verhouding tussen sterkte en taaiheid, waardoor het vaak wordt gebruikt voor dragende onderdelen zoals bouwbalken, stalen kolommen, brugconstructies en zware frames.
De treksterkte van A992-staal bedraagt doorgaans 450-620 MPa. Het staal vertoont een goede weerstand tegen vervorming onder trek-, druk- en buigbelasting. A992-staal wordt veelvuldig gebruikt in staalconstructies voor de bouw en de machinebouw, waar sterkte, lasbaarheid en constructieve stabiliteit vereist zijn.
Koolstofstaal
Koolstofstaal is een ijzer-koolstoflegering die voornamelijk bestaat uit ijzer en koolstof, zonder dat er opzettelijk andere legeringselementen aan zijn toegevoegd. Het koolstofgehalte ligt doorgaans tussen 0,02% en 2,11%. De materiaaleigenschappen kunnen worden aangepast door middel van het koolstofgehalte en warmtebehandelingsprocessen. Het wordt onderverdeeld in drie categorieën: koolstofarm staal, koolstofhoudend staal en koolstofrijk staal.
Staal 1018
De vloeigrens van 1018 zacht staal bedraagt ≥210 MPa, ongeveer 30 ksi, met een daadwerkelijk bereik van ongeveer 210-275 MPa. In koudgetrokken toestand (C1018) kan de vloeigrens oplopen tot 370 MPa, ongeveer 53 ksi, of hoger. Na warmtebehandelingen zoals afschrikken en ontlaten kan de sterkte verder worden verbeterd, maar dit gaat meestal ten koste van enige ductiliteit en vervormbaarheid. 1018-staal biedt goede lasbaarheid, koudvervormbaarheid en bewerkbaarheid in plaats van hoge sterkte, en is geschikt voor gewone mechanische onderdelen zoals assen, pennen, bouten en tandwielblanks.
De treksterkte van 1018 zacht staal bedraagt ongeveer 370-440 MPa. In koudgetrokken toestand kan de treksterkte, als gevolg van vervormingsverharding, toenemen tot 440-540 MPa of meer.
1045 staal
De treksterkte van 1045-staal bedraagt ongeveer 570-700 MPa, en de vloeigrens van 1045-staal bedraagt ongeveer 310-530 MPa
, afhankelijk van de bewerkingsomstandigheden, zoals warmwalsen, normaliseren, koudtrekken of afschrikken en ontlaten. 1045 is een staalsoort met een gemiddeld koolstofgehalte en een relatief hoge sterkte, hardheid en slijtvastheid. Het wordt vaak gebruikt voor dragende of slijtvaste mechanische onderdelen zoals assen, tandwielen, drijfstangen, krukassen, pennen, bouten, hulzen en gereedschapsopspanningen. Na een behandeling door afschrikken, ontlaten of afschrikken en ontlaten kan de algehele balans tussen sterkte, taaiheid en slijtvastheid verder worden verbeterd, waardoor het geschikt is voor constructiedelen en transmissieonderdelen die aan gemiddelde belastingen worden blootgesteld.
Gelegeerd staal
Gelegeerd staal wordt vervaardigd door opzettelijk elementen zoals chroom, nikkel, molybdeen, vanadium, titanium, niobium, wolfraam en boor aan koolstofstaal toe te voegen om de sterkte, hardheid, taaiheid, slijtvastheid, hardbaarheid, corrosiebestendigheid of prestaties bij hoge temperaturen te verbeteren. Het wordt vaak gebruikt voor hoogwaardige onderdelen of constructie-elementen zoals tandwielen, assen, drijfstangen, bruggen, snijgereedschappen, matrijzen, roestvrij staal, hittebestendig staal en slijtvast staal.
4140-staal
4140-staal heeft een vloeigrens van ongeveer 415 MPa in gegloeide of genormaliseerde toestand, en deze kan na afkoelen en ontlaten worden verhoogd tot 930–1100 MPa of hoger. Het is een hoogsterk, afgekoeld en ontlaat staal uit de familie van chroom-molybdeen-legeringen met een gemiddeld koolstofgehalte. Dankzij de uitstekende hardbaarheid, hoge sterkte en goede balans tussen hardheid en taaiheid wordt 4140-staal vaak gebruikt voor tandwielen, assen, drijfstangen, bouten, aandrijfassen, krukassen, boorpijpverbindingen, onderdelen van gespen van hoogwaardig staal en andere mechanische onderdelen die aan hoge belastingen worden blootgesteld.
De treksterkte van 4140-staal in gegloeide of genormaliseerde toestand bedraagt doorgaans ongeveer 655-750 MPa. Na afschrikken en ontlaten kan deze stijgen tot 1080–1200 MPa of hoger, waarmee wordt voldaan aan de eisen van bedrijfsomstandigheden waarbij sprake is van een hoog draagvermogen, stootbelastingen en vermoeidheidsspanning.
Staal 4130
De vloeigrens van 4130-staal in gegloeide of genormaliseerde toestand bedraagt doorgaans ongeveer 415 MPa. Na afkoelen en ontlaten kan deze stijgen tot 785-930 MPa of hoger, waardoor het een hoogsterkteklasse is binnen de groep van constructiestaalsoorten met een gemiddeld koolstofgehalte op basis van een chroom-molybdeenlegering. Met een relatief hoge vloeigrens, goede taaiheid en hardbaarheid is 4130-staal geschikt voor de vervaardiging van tandwielen, assen, drijfstangen, bouten, frames, buizen voor vliegtuigen en mechanische onderdelen die worden blootgesteld aan vermoeidheidsbelastingen, met name constructieonderdelen die een evenwicht vereisen tussen sterkte, taaiheid en een lichtgewicht ontwerp.
De treksterkte van 4130-staal in gegloeide of genormaliseerde toestand ligt doorgaans onder ongeveer 590 MPa. Na afkoelen en ontlaten kan deze stijgen tot 930-1000 MPa of hoger, waardoor het geschikt is voor mechanische en lucht- en ruimtevaartconstructieonderdelen waaraan hoge eisen worden gesteld op het gebied van treksterkte, vermoeidheidsweerstand en structurele betrouwbaarheid.
Roestvrij staal
304 roestvrij staal
Na een oplossingsbehandeling of gloeibehandeling heeft roestvrij staal 304 een vloeigrens van meer dan 205 MPa, en de treksterkte van roestvrij staal 304 bedraagt ongeveer 515-750 MPa. Na koudvervorming, zoals koudwalsen of koudtrekken, kan de vloeigrens stijgen tot meer dan 515 MPa en kan de treksterkte meer dan 800 MPa bedragen. 304 is een austenitisch roestvrij staal met gemiddelde sterkte, goede corrosiebestendigheid, hoge ductiliteit en goede lasbaarheid. Het is geschikt voor chemische pijpleidingen, voedselverwerkingsapparatuur, medische hulpmiddelen, bevestigingsmiddelen zoals bouten en moeren, plaatwerkonderdelen, decoratieve constructieonderdelen en algemene corrosiebestendige onderdelen.
316 RVS
De vloeigrens van 316 roestvrij staal in de oplossingsgehard of gegloeide toestand bedraagt doorgaans ≥205 MPa, waardoor het een austenitisch roestvrij staal met een gemiddelde tot lage sterkte is. Het is corrosiebestendig, gemakkelijk te lassen en zeer ductiel, en is geschikt voor chemische pijpleidingen, kleppen, pomphuizen, flenzen, bevestigingsmiddelen, voedselapparatuur, medische hulpmiddelen en scheepsonderdelen. Na koudvervorming kan de vloeigrens ≥515 MPa bedragen, waardoor het geschikt is voor corrosiebestendige onderdelen waaraan hogere eisen worden gesteld wat betreft vervormingsweerstand.
Wat zijn ultrahoge-sterkte staalsoorten?
Onder ultrahogesterkte staal wordt doorgaans gelegeerd staal verstaan met een vloeigrens van meer dan 1380 MPa of een treksterkte van meer dan 1470 MPa.
Ultra-hoogsterkte staalsoorten kunnen worden onderverdeeld in verschillende typen op basis van hun samenstelling en versterkingsmechanismen. Veelvoorkomende laaggelegeerde ultra-hoogsterkte staalsoorten zijn onder meer AISI 4340, 300M, Eglin-staal en andere. AISI 4340 is een klassiek laaggelegeerd staal met ultrahoge sterkte dat op grote schaal wordt gebruikt in onderdelen die aan hoge belastingen worden blootgesteld, zoals landingsgestellen van vliegtuigen en motorassen.
Ultra-hoogwaardige staalsoorten met secundaire verharding, zoals HY-180, AF1410 en AerMet 100 hebben een hoge sterkte, een hoge taaiheid en een uitstekende weerstand tegen vermoeidheidsbreuken, en worden vaak gebruikt in het landingsgestel van gevechtsvliegtuigen, onderdelen van vliegtuigmotoren en remhaken van vliegdekschepen.
Maraging-staalsoorten met ultrahoge sterkte, zoals 18Ni, T250 en T300, danken hun hoge sterkte aan verouderings- en precipitatieversterking en worden vaak gebruikt in behuizingen van raketmotoren en constructieonderdelen voor de lucht- en ruimtevaart.
Tot de ultrahoge-sterkte staalsoorten die veel in de automobielindustrie worden gebruikt, behoort onder meer boorstaal 22MnB5. Na warmvervorming kan de treksterkte ervan 1500-2000 MPa bedragen, en het wordt voornamelijk gebruikt voor veiligheidsonderdelen in auto’s, zoals A- en B-stijlen en botsingsbalken.
Hoe beïnvloedt de sterkte van staal de bewerkingskosten?
Hoe hoger de sterkte van staal, hoe groter de snijkracht die nodig is tijdens de bewerking. Dit stelt hogere eisen aan de prestaties van het gereedschap, de stijfheid van de machine en de bewerkingsnauwkeurigheid, wat vaak leidt tot snellere slijtage van het gereedschap, een lagere efficiëntie en hogere productiekosten. Bij de keuze van staal moet daarom niet alleen rekening worden gehouden met de sterkte en de prestaties tijdens het gebruik, maar ook met de bewerkbaarheid en de totale productiekosten.
Over het algemeen zijn de bewerkingskosten voor roestvrij staal, gelegeerd staal en koolstofrijk staal hoger; voor staal met een gemiddeld koolstofgehalte liggen deze op een gemiddeld niveau; terwijl de bewerkingskosten voor koolstofarm staal, gietijzer en gegalvaniseerd staal doorgaans relatief lager zijn. De werkelijke kosten hangen echter nog steeds af van de materiaalspecificaties, de structuur van het onderdeel, het bewerkingsproces en de capaciteit van de apparatuur.
Samenvatting:
Het bovenstaande behandelt de belangrijkste kennis over de sterkte van staal, waarbij vooral verschillende staalsoorten en de sterkteklassen worden besproken die in de technische productie vaak aan de orde komen. Als je meer wilt weten, of als je problemen ondervindt tijdens staalbewerking, u kunt contact opnemen met de technici bij Weldo Machining voor ondersteuning bij DFM-ontwerp en raming van de bewerkingskosten.
