Wat zijn de kerfslagproef en kerfslagwaarde?

Staal wordt brosser wanneer het kouder wordt en daardoor wordt het ook scheurgevoeliger. Om de veiligheid van stalen bruggen, gebouwen en diverse constructies te kunnen waarborgen bij verschillende temperaturen, wordt in specificaties vaak nadrukkelijk verwezen naar kerfslagwaardes als JR, J0 en J2. Deze waardes komen tot stand met een kerfslagproef en bepalen de taaiheid van het materiaal.

In dit artikel leggen we uit wat al die verschillende termen betekenen.

Wat is taaiheid?

De taaiheid is een materiaaleigenschap dat iets zegt over het vermogen van een staalsoort om te vervormen tijdens een belasting zonder te scheuren of breken.

Voor de duidelijkheid, de begrippen bros en taai zijn tegenpolen van elkaar:

• Bros materiaal breekt relatief eenvoudig zonder vervorming. 
• Taai materiaal breekt relatief moeilijk met veel vervorming.

Het volgende voorbeeld illustreert de verschillen treffend:

• Glas is bros, want het breekt snel en geeft een breukvlak zonder vervorming. 
• Karamelrepen zijn taai, want ze breken langzaam en moeten echt dubbel worden geklapt.

Idealiter is staal dus wat taaier, zodat het niet snel breekt.

Maar bij kamertemperatuur is staal al best bros. En des te kouder staal wordt, des te brosser het wordt. Gaan we gebouwen, constructies of bruggen in de buitenlucht bouwen? Dan maken de lagere temperaturen het staal dus automatisch brosser.

Nog even terug naar die karamelreep. Op kamertemperatuur klapt u deze makkelijk dubbel. Maar heeft de reep een dag in de diepvries gelegen? Dan kunt u ‘m stukslaan op tafel. Dát is de invloed van temperatuur op taaiheid.

Daarom is het handig om op voorhand te weten hoe ‘bros’ een specifieke staalkwaliteit zich gedraagt bij bepaalde temperaturen. Dat kunnen we achterhalen met een kerfslagproef. 

Wat is de kerfslagproef

Met een kerfslagproef (ook wel de Charpy V Notch Test genoemd) wordt gemeten hoeveel energie er nodig is om een teststaafje kapot te slaan. De uitslag van deze proef wordt vermeld met de kerfslagwaarde. Dit is een getal, uitgedrukt in +/- Joule.

Bij 27 Joule ligt een grensgebied dat algemeen geaccepteerd wordt. Is de kerfslagwaarde lager? Dan beschouwen we het materiaal als bros. Is de waarde hoger? Dan wordt het materiaal beschouwd als taai.

NB: Staal met een kerfslagwaarde van 26 Joule is dus niet per definitie bros, maar wel minder taai dan staal met een kerfslagwaarde van 27 Joule.

Bros materiaal breekt sneller en daar is minder energie voor nodig. Taai materiaal breekt moeilijker en daar is meer energie voor nodig.

Temperatuur heeft invloed op de kerftaaiheid van staal. Daarom wordt de kerfslagproef uitgevoerd bij uiteenlopende temperaturen. Dat leidt bij staalkwaliteiten tot de afkortingen (en betekenissen) in onderstaande tabel.

Hoe moet u dit interpreteren? 

Als de eis wordt gesteld dat een staalkwaliteit voldoende taaiheid moet bezitten bij een specifieke temperatuur, dan kunt u aflezen welke aanduiding de staalkwaliteit moet hebben.

Moet het staal voldoende taaiheid bezitten bij 20°C? Dan voldoet een kwaliteit met JR-aanduiding. Moet het staal voldoende taaiheid bezitten bij -20°C? Dan voldoet een kwaliteit met J2-aanduiding.

Voor constructies in België is dat bijna altijd voldoende. Voor bruggen in Noorwegen ligt de lat een stuk hoger. Daar worden temperaturen gemeten tot wel -50°C. Niet verwonderlijk dat ze daar al snel naar een staalkwaliteit van J4 of J5 gaan. 

NB: Hier wordt overigens ook gekeken naar de aanduiding NL1 en NL2, maar voor de behapbaarheid van deze blog gaan we daar nu niet dieper op in.

Waarom kan een J2 -20°C doorstaan en een JR slechts 20°C?

Ondanks dat ze aan eenzelfde type staalkwaliteit worden toegekend, zijn er een aantal oorzaken die een J2 geschikt maken voor lagere temperaturen en een JR niet.

De belangrijkste oorzaak heeft betrekking op de zuiverheid van het materiaal. Lagere gehalten zwavel (S) en fosfor (P) zorgen immers voor minder insluitingen en dus minder initiatiepunten voor brosse breuk.

In theorie kunnen de microstructuur van het materiaal (meer of minder fijnkorrelig) en de procescontrole tijdens het walsen en afkoelen ook invloed hebben. Maar in de praktijk is de microstructuur van een J2 niet per definitie fijnkorreliger dan een JR en is een procescontrole altijd wel nodig (om fatsoenlijk staal te waarborgen).

De norm versus een bouwbesluit

Bouwbesluiten of andere technische specificaties vereisen nog weleens een J-aanduiding bij platen die 5 mm of dunner zijn. Echter, volgens de EN 10025 is de kerfslagproef alleen voorgeschreven bij platen van 6 mm of dikker. Bij platen die dunner zijn kan de proef immers niet meer betrouwbaar worden uitgevoerd omdat de kleinste kerfslagproef-staaf een afmeting heeft van 55 x 5 x 5 mm. Dit formaat is niet meer geschikt voor de test. In zo’n geval ontbreekt de J-aanduiding vaak op het materiaalcertificaat.

Over het algemeen wordt in de praktijk geaccepteerd dat dit zo is. Immers, technisch gezien hebben dunnere platen minimaal eenzelfde kerftaaiheid als dikkere platen van hetzelfde type staal. Administratief wordt er alleen geen J-aanduiding bij gezet. Dat leidt er projectmatig nog weleens toe dat een constructeur moet onderkennen dat een strikte eis uit het bouwbesluit niet verifieerbaar is.

Hoe dan ook; het ontbreken van een J-aanduiding bij dunnere platen betekent niet dat het materiaal niet taai genoeg, maar simpelweg dat de kerfslagproef niet uitvoerbaar (en dus ook niet verplicht) is.

Vragen?

Heeft u nog vragen over de kerfslagproef, -waarde of kerftaaiheid? Neem dan gerust contact met ons op.

NB: Dit artikel is geschreven in samenwerking met MCB.