Produktoetsing

Produktoetsing omvat die ondersoek van die samestelling en eienskappe van materiale wat in vervaardiging gebruik word. Verskillende materiale, soos beton, yster, plastiek, ensovoorts, word hierdeur getoets vir onder meer korrosiebestandheid, belastingsweerstand, materiaalvermoeiing, en dies meer. Produktoetsing omsluit veral twee soorte ondersoeke, naamlik ontwikkelings- en gehaltebeheerondersoeke.

Die ontwikkelingsondersoek is daarop gerig om die geskikste materiale vir bepaalde produkte te vind. Die gehaltebeheerondersoek word gedoen om te verseker dat 'n verwerkte produk sover moontlik voldoen aan die vereistes (spesifikasies) wat daarvoor gestel word. Materiaalondersoek word ingedeel in fisiese en tegniese ondersoeke. In fisiese ondersoek word materiale oor die algemeen bestudeer om onder meer fisiese groothede te bepaal soos die smeltpunt van 'n stof (in °C) of die treksterkte daarvan (in N/mm²). By tegniese ondersoeke word praktiese toetse gedoen om byvoorbeeld vas te stel hoe 'n stof sal reageer wanneer 'n krag daarop uitgeoefen word.

Algemeen

Onder materiaalondersoek word oor die algemeen verstaan die ondersoek van die samestelling en eienskappe van materiale. Die ondersoek is egter gewoonlik gerig op die toepasbaarheid van die materiale vir bepaalde doeleindes. Dit het veral betrekking op stowwe soos hout, beton, staal, metale, kunsstowwe, glas en keramiek en op hulpstowwe soos verf en lym. Hoewel die materiale sterk van mekaar verskil, word dieselfde toetse min of meer op almal uitgevoer met die oog op sterktebepaling, korrosiebestandheid, temperatuur- en higroskopiese bestendigheid, ensovoorts

Die ondersoek van allerlei fisiese eienskappe soos die fotografiese, fotoëlektriese, diëlektriese, halfgeleidende, magnetiese, fluoresserende, chemiese, geologiese en biologiese eienskappe dra baie daartoe by om vas te stel aan watter vereistes ʼn materiaalsoort sal voldoen. Wanneer 'n ketel byvoorbeeld vir 'n chemiese fabriek gebou moet word, help die toetse om vas te stel watter materiaal die geskikste daarvoor is. Die materiaal sal onder meer chemies bestendig moet wees, 'n bepaalde temperatuur moet kan weerstaan en 'n sekere sterkte moet hê. Die sterkte van die meeste materiale is bekend of kan bereken word, sodat die dikte en vorm van die materiaal vir die ketel bepaal kan word. Voorts moet die materiaal vir die ketel aan korrosietoetse onderwerp word.

Terwyl die korrosiewe chemikalie met die ketelmateriaal in aanraking is, word die materiaal onder andere ook heen en weer gebuig. Die gekombineerde werking van die chemikalie en die buiging is byvoorbeeld baie skadeliker as albei afsonderlik. Hoewel die praktiese omstandighede tydens 'n toets nageboots moet word, moet toetstye egter so kort moontlik gehou word om koste te bespaar en vertragings te voorkom. As gevolg hiervan is daar altyd 'n onsekerheidsfaktor en word 'n veiligheidsgrens in ag geneem, waardeur 'n materiaal in die praktyk slegs tot 'n kwart of die helfte van sy vermoë belas word. In sommige gevalle, byvoorbeeld in die lug- en ruimtevaart, moet die materiaalvermoë egter so ver moontlik benut word om die massa van die tuig so laag moontlik te hou.

Hierdie materiale word tot die uiterste beproef, terwyl die tuie ook eers op toetsvlugte geneem word voordat dit as geskik vir gebruik verklaar word. Wanneer die keuse ten opsigte van 'n materiaal dan gemaak en die produk vervaardig is, word daar nagegaan of dit aan die vereistes voldoen. 'n Bekende fout wat byvoorbeeld tydens produksie insluip, is die sogenaamde gietfout. 'n Gegote werkstuk het dikwels afwykings van die ontwerp as gevolg van lug wat in die materiaal vasgevang is, krakies wat deur oneweredige afkoeling gevorm word, ensovoorts.

Afwykings moet dikwels op 'n nie-destruktiewe manier gevind word, dit wil sê sonder om die gietstuk oop te saag of iets dergeliks, aangesien 'n sekere mate van afwyking dikwels toegelaat word. Een metode is röntgenstraal-fotografie (x-straalfotografie), waarby onreëlmatighede as ligte of donker vlekke gesien kan word. Ander nie-destruktiewe tegnieke sluit in infrarooistraling, trillingstoetse (waarby die toonhoogte op ʼn sekere frekwensie moet wees) en induksietoetse (waarby die toetsstuk in 'n wisselspanningsveld geplaas word).

Sy sommige produkte is dit moontlik om elke produk wat vervaardig word, afsonderlik te toets, maar dikwels moet met steekproewe volstaan word. Wanneer ʼn aantal metaalvoorwerpe byvoorbeeld hittebehandeling moet ondergaan, word slegs een van die voorwerpe daarna getoets en afleidings oor die resultaat van die behandeling daaruit gemaak. Gehaltebeheer word gewoonlik in 'n produksielaboratorium gedoen. Die werk in die laboratorium bestaan uit roetine-ondersoeke waarby produkmonsters met voorskrifte vergelyk word.

Die roetinelaboratorium werk gewoonlik nou saam met ʼn ontwikkelingslaboratorium, wat inligting oor die getoetste produkte ontvang en, waar nodig, nuwe spesifikasies opstel. Bogenoemde laboratoria word ook ondersteun deur navorsingslaboratoria, waarin nuwe stowwe en ontwerpe ontwikkel word. Produksie- en ontwikkelingslaboratoria is gewoonlik tegnies van aard, terwyl daar by die navorsingseenheid dikwels hoofsaaklik ʼn fisiese laboratorium gebruik word,

Die SABS (Suid-Afrikaanse Buro vir Standaarde)

Die SABS is 'n statutêre liggaam wat produktoetsing doen met die oog op die toekenning van 'n gehaltemerk wat aandui dat die produk aan sekere standaarde voldoen. Volgens artikel 3 van die Wet op Standaarde word die volgende doelstellings nagestreef:

- Om die handel en die nywerheid aan te spoor om te standaardiseer. Om vervaardigings- en verbruikersvoorskrifte op te stel en te wysig.

- Om onderskeidingsmerke toe te ken en beheer oor die gebruik daarvan uit te oefen.

- Om geriewe te verskaf vir die toets van artikels en die materiaal waarvan dit vervaardig word.

- Om geriewe te verskaf vir die toets en yk (kalibreer) van meetinstrumente, presisiewerktuie en wetenskaplike apparaat.

- Om standaardisasie oor die algemeen te bevorder en voorligting daaroor te gee.

Die SABS het 'n Toets- en Ontwerpinstituut met die volgende departemente en afdelings:

- Meganiese ingenieurswese: algemene meganiese tegnologie, sweiswerk, motoringenieurswese, nie-destruktiewe toetsing

- Siviele ingenieurswese: boumateriale, bou- en brandtoetsing, verpakking.

- Elektrotegniese ingenieurswese: kabels en transmissietoerusting, elektronika en geluidsleer, fotometrie, elektriese toestelle, hoë spanning.

- Chemiese tegnologie: algemene en nywerheidschemie, metallurgie, water, kunsstowwe, petroleum, bitumen.

- Veseltegnologie: leer, hout, papier, tekstielstowwe, kunsstowwe Biologiese wetenskappe: voedsel, mikrobiologie, farmaseutiese produkte, plaagdoders, veevoer.

Die hoofkantoor van die SABS is in Pretoria en daar is streekkantore in Kaapstad, Durban, Port Elizabeth en Bloemfontein, asook takkantore in Johannesburg, Vereeniging, Oos-Londen, Nelspruit en Pietersburg. Die SABS was een van die baanbrekers op die gebied van gehaltebeheer en -versekering, en het talle ander lande aangespoor om ʼn soortgelyke stelsel toe te pas.

Een van die groot take wat die liggaam onderneem het, was metrisering, waardeur die SI -stelsel in gevoer is. Die Metriseringsadviesraad het die oorskakeling van die Britse voetpond- stelsel na die SI-stelsel beplan en gekoördineer, en in Suid-Afrika is die metrieke stelsel al so diep gewortel dat slegs die ouer garde die Britse stelsel nog kan onthou.

Eienskappe van stowwe

Die fisiese eienskappe van stowwe word aan die hand van die SI eenhede beskryf, dit wil sê die kilogram (kg), die meter (m), die sekonde (s), die ampère (A) en die kelvin (K).

Fisiese groothede

Die volgende fisiese groothede speel ʼn belangrike rol by materiaalondersoek:

- Die smeltpunt, wat in K of in °C (K= ˚C + 273,13) uitgedruk kan word. Die verwekingspunt is hier ook belangrik - dit is die punt waarby materiale 'n groot gedeelte van hut sterkte verloor het.

- Die digtheid, wat in kg.m^{- 3} of soms in die verouderde kg.ℓ⁻¹ uitgedruk word (1 kg.m⁻³ =10–3 kg.ℓ⁻¹). Digtheid kan bepaal word wanneer die massa en die volumeverplasing van materiale bekend is.

- Die soortlike weerstand, wat in Ω.m of in Ω.cm uitgedruk kan word. Dit is van belang waar isolasieweerstand en elektrostatiese ontlading ter sprake is.

- Warmtegeleiding, wat in J.m⁻¹ .K⁻¹ uitgedruk kan word. Dit is van belang waar warmte warmte geïsoleer moet word, waar materiale gesmelt, gegiet, gelas of aan warmtebehandeling onderwerp moet word.

- Die soortlike warmte, wat in J.kg⁻¹.K⁻¹ uitgedruk kan word.

- Die termiese uitsetting, in dele. K⁻¹, wat by uitsetting van verskillende materiale wat saam gebruik word, ʼn rol speel.

- Die verskillende stertegroothede. Een hiervan is treksterkte wat in N.m⁻² of in kg.cm⁻² uitgedruk kan word. Die treksterkte is die maksimum spanning wat materiaal in een rigting kan weerstaan voordat dit breek.

ʼn Ander sterktegrootheid is drukbestandheid, wat in dieselfde eenheid as die van treksterkte uitgedruk kan word. Dit is die maksimum druk wat materiaal kan verdra voordat dit meegee. Ander eienskappe wat nou verwant is aan treksterkte, is die elastisiteitsmodulus (elastiese lengteverandering onder die invloed van spanning), die vloeigrens (skielike, blywende lengteverandering of deformasie by ʼn sekere spanning) en kruip (lengteverandering of deformasie oor ʼn lang tydperk onder die invloed van spanning.

Chemiese groothede (byvoorbeeld die verhouding tussen die hoeveelhede van sekere elemente in stowwe, ensovoorts) behoort ook tot die fisiese materiaalondersoek. Hierby speel die soort elemente in die materiaal (kwalitatiewe ondersoek) en die hoeveelhede (kwantitatiewe ondersoek) 'n groot rol. Sommige eienskappe van materiale is byvoorbeeld eweredig aan die verhouding tussen die elemente daarin. Dit is veral die geval wanneer die materiaalsamestelling nie in ewewig is nie (metastabiel) en dit kom naamlik by legerings, glas en kunsstowwe voor.

Metastabiliteit

Die algemene oorsaak vir metastabiliteit is dat verskillende bestanddele in vloeibare vorm goed maar in vaste toestand swak vermeng. Sodra die materiaal in 'n vaste toestand oorgaan, neig die bestanddele om te skei, hoewel dit dikwels baie langsaam plaasvind. Deur ʼn mengsel vinnig af te koel, kan die skeiding verhoed word, en daar word gesê dat die metastabiele toestand bevrore is.

Die materiaal kan dan vir honderde jare in die toestand bly. Met behulp van warmtebehandeling kan materiale in metastabiele toestande gebring word wat optimale meganiese eienskappe het. Oor die algemeen is 'n metastabiele legering dan ook sterker en harder as 'n stabieie legering. Hierdie verskynsels, wat onder die studie oor toestandsverandering (fase-oordrag) val, is van fundamentele belang in die metallurgie.

Rek

Baie materiale se rekbaarheid is maar klein, dikwels nie meer as gedeeltes van 'n millimeter nie. Die gewone lengtemeting wat gedoen word om rekbaarheid te bepaal, is dus nie voldoende nie en daarom word rekstrokies (vervormingstrokies) gebruik. Rekstrokies bestaan uit dun weerstandsmateriaal (met elektriese weerstand) wat op 'n toetsstuk geplak word. Sy die geringste rekking van die materiaal sal die weerstand van die strokies meetbaar verander, en die weerstandsverandering kan met behulp van 'n meetbrug (weerstandsmeter) gemeet word. Rekbaarheid kan op hierdie manier selfs ook bepaal word wanneer die toetsstuk aan slegs enkele vibrasies per sekonde onderwerp word.

Vastestoffisika

In die vastestoffisika word die tiperende eienskappe van stowwe bepaal. Die meeste stowwe is grotendeels kristallyn, dit wil sê die molekules, atome of ione in die stof is reëlmatig gerangskik. Die chemiese bindkragte in kristallyne stowwe is sterker as die kragte wat voortvloei uit die termiese beweging van die stofdele (molekules, ensovoorts).

Elastiese verskynsels (uitsetting of inkrimping) kan aan die hand van die verandering in die afstand tussen die deeltjies onder die invloed van spanning verklaar word, en termiese uitsetting aan die hand van die afstandsverandering onder die invloed van temperatuur. Vir die bepaling van sterkte en vervormbaarheid van baie materiale lewer die teorie oor chemiese binding egter min insig, aangesien roosterfoute in die roosterstruktuur van die kristalle oorheersend is.

Mikroskopiese ondersoeke

Naas meting by fisiese materiaalondersoek lewer visuele ondersoeke ook 'n belangrike bydrae. Visuele ondersoeke kan byvoorbeeld met behulp van ʼn mikroskoop gedoen word. Baie vaste stowwe is opgebou uit kombinasies van klein kristalle (polikristallyn) en die vorm en afmeting hiervan kan bestudeer word.

By die warmtebehandeling van materiale sal klein kristalle byvoorbeeld omvorm word tot ʼn aantal grotes. Wanneer van die groot kristalle tussen die kleineres inbeweeg, word die ewewig in die materiaal versteur (metastabiliteit), en hierdie beweging kan onder ʼn mikroskoop goed waargeneem word.

Toetse

Die praktiese ondersoek van materiaal omvat die volgende twee soorte toetse:

- Meganiese toetse, soos die hardheidstoets, die kerfslagtoets, die vermoeiingstoets, ensovoorts.

- Chemiese toetse, soos vir korrosiebestandheid, temperatuurbestendigheid, ensovoorts.

Meganiese toetse

By trektoetse word toetsstawe vasgeklem en aan 'n trekspanning onderwerp. Met die aanvanklike verhoging van die trekspanning rek die materiaal gewoonlik elasties, dit wit se die toetsstaaf keer tot die oorspronklike lengte terug as die spanning weer verminder word. By 'n verdere verhoging van die spanning begin die staat vervorm (vloei) en die vormverandering is blywend. Die punt waarby sterk vervorming plotseling plaasvind, word die vloeigrens genoem.

By 'n sekere trekspanning breek die staat, en die maksimum spanning wat dit kan weerstaan, word die treksterkte van die materiaal genoem. Keramiese materiale ondergaan gewoonlik nouliks 'n vormverandering, en breek met 'n bros breuk. Staal breek met ʼn sogenaamde taai breuk, so genoem omdat staal soms eers dun uitrek voordat dit breek. Rubber wyk heeltemal van ander materiale af omdat dit elastieser is. Beton het die eienskap dat dit 'n trekspanning nie so goed as 'n drukkrag kan weerstaan nie en breek ook met ʼn bros breuk.

Die druktoets bestaan eenvoudig uit die saampers van 'n materiaal met behulp van byvoorbeeld ʼn hidrouliese pers. Druktoetse word gewoonlik nie op maklik vervormbare materiale uitgevoer nie aangesien die toetsresultate gewoonlik moeilik geïnterpreteer word. By hardheidstoetse word 'n harde skerp voorwerp in die toetsstuk ingedruk. Die toetspunt kan diamant of keelvormig wees, hoewel 'n ronde bal soms ook in die sogenaamde opstuit-toets gebruik word.

By baie materiale is daar ʼn regstreekse verband tussen die hardheid en die treksterkte. Dit is daarom dikwels goedkoper om net die hardheidstoets te doen en die treksterkte daarvan af te lei. Werkstukke met profiele (kepe, groewe, ensovoorts) neig om op juis daardie plekke te breek, en materiale word daarom aan die kerfslagtoets onderwerp. Hierby word ʼn toetsstuk van 'n keep met ʼn bepaalde diepte voorsien en dan aan 'n slaankrag onderwerp (hamer of vallende massa).

Die kerfslagwaarde van materiale is dikwels sterk afhanklik van die materiaaltemperatuur: Koolstofvrye staal het byvoorbeeld by ongeveer - 50 °C 'n oorgang tussen 'n taai en 'n bros struktuur, en die taai struktuur is maklik 10 maal meer bestand teen 'n kerfslag. Nikkel daarenteen het 'n hoë kerfslagwaarde by 'n lae temperatuur en is baie geskik vir byvoorbeeld vate waarin baie koue vloeistowwe gehou word. Die vermoeiingstoets omvat die aanwend van 'n wisselende belasting op 'n toetsstuk.

Daardeur word die treksterkte bepaal van materiale wat aan trillings onderworpe is. Materiale het elk ʼn bepaalde vermoeiingsgrens en indien die belasting dit nie oorskry nie, het die materiaal gewoonlik ʼn baie lang lewensduur.

Chemiese toetse

Korrosietoetse word gedoen deur 'n stuk materiaal aan verskillende stowwe bloot te stel. Die stowwe word gewoonlik beperk tot die wat oor die algemeen voorkom en gebruik word. Korrosie is sterk onderhewig aan temperatuurveranderings en vind gewoonlik vinniger by hoë temperature plaas. Die mate van korrosie word onder andere bepaal deur die afname in dikte van ʼn materiaal te meet. Korrosie vind dikwels plaas waar byvoorbeeld verskillende metale met mekaar in aanraking is.

Hierdie verskynsel berus op die elektrochemiese spanning tussen die metale. By brandbaarheidstoetse word materiale dikwels in oonde getoets. Om vas te stel onder watter omstandighede die materiaal sal ontvlam, word vonke en vlamme gebruik waarvan die temperatuur beheer kan word.

Waar materiale nie ontvlam nie, word dit ondersoek om vas te stel in watter mate dit deur die hitte aangetas is. Sommige betonsoorte verloor byvoorbeeld hul treksterkte heeltemal by hoë temperature. Uit brandbaarheidstoetse is ʼn aantal kunsstowwe ontwikkel wat warmte uitstekend kan weerstaan totdat die temperatuur egter so verhoog word dat dit verkool.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409648, volume 23, bl. 121