De winst van het testen, of het verlies van het wel geloven Deel1
Veel materialen worden aangekocht met materiaalcertificaten, bijvoorbeeld volgens EN 10204. Ook worden producten vaak voorzien van certificaten of keurmerken. Die certificaten en/of keurmerken moeten vertrouwen geven aan de koper van het materiaal. De koper mag juistheid van de gegevens op het certificaat en/of keurmerk verwachten. Als de koper zoekt naar de combinatie van betrouwbaarheid van de gegevens op het certificaat en/of keurmerk en een laagste prijs voor het materiaal of product, dan moet hij/zij zich werkelijk afvragen of goed en goedkoop wel echt samengaan. Dat goedkoop nog veelvuldig duurkoop blijkt te zijn, zal in dit artikel worden geïllustreerd. Duidelijk zal worden dat als men goedkoop inkoopt, men een deel van het voordeel zou moeten investeren in aanvullend onderzoek (testen) om nadeel te voorkomen. Vertrouwt men blindelings de juistheid van het certificaat, omdat daar alle mogelijke op het oog betrouwbare stempels op staan, dan kan men op moeten draaien voor de niet te claimen gevolgkosten, oftewel het op te lopen verlies, indien materiaal is toegepast dat achteraf ondeugdelijk blijkt te zijn. Voordeel wordt dan al snel nadeel.
ir. Lammert Brantsma IWE IWE metaalkundige / lasingenieur / inspectie deskundige
Dr. ir. Peter van Houten IWE lasingenieur / adviseur
ir. Jelle Brantsma, IWE
De prestaties en keuze van de materialen
De prestaties van ieder materiaal, maar zeker van roestvast staal, zijn in grote mate afhankelijk van de conditie waarin het materiaal wordt geleverd. Die conditie kan betrekking hebben op de mechanische eigenschappen, de microstructuur en de oppervlaktegesteldheid. Zo kennen we bijvoorbeeld koudvervormd of warmgewalst roestvast staal, in de oplosgegloeide of veredelde (gehard en ontlaten) conditie, en met verschillende oppervlaktekwaliteiten, bijvoorbeeld gebeitst en gepassiveerd, geborsteld, geschuurd of (hoogglans) gepolijst.
De gewenste leveringsconditie, die bij bestelling moet worden opgegeven, is afhankelijk van de toepassing, en dus van de bedrijfscondities zoals milieu, temperatuur, druk, de sterkte-berekeningen en eventueel de noodzakelijke esthetiek. Op basis van die vooraf tijdens het ontwerp gedefinieerde bedrijfscondities of eisen is een gedegen proces van materiaalkeuze noodzakelijk. De keuze van een juist materiaal voor een bepaalde constructie zou de eerste stap moeten zijn, aangezien het materiaal de verbinding vormt tussen het ontwerp, de berekeningen, tekeningen en het uiteindelijke product dat tenminste gedurende de vastgestelde levensduur goed moet werken.
De materiaalkeuze en de daarmee samenhangende mogelijke en onmogelijke vervaardigings-processen, zoals lassen, smeden, gieten, verspanend bewerken (zie figuur 1) en buigen, vormen een wezenlijk deel van het ontwerpproces. De moeilijkheid van het ontwerpproces wordt duidelijk als men zich realiseert dat er op dit moment binnen de verschillende hoofdgroepen samen (metalen, kunststoffen, keramiek, glas en composieten) al meer dan 100.000 toepasbare materialen zijn waaruit gekozen moet worden. Zo bestaan er reeds honderden soorten en typen roestvast staal, en dit aantal blijft toenemen door de voortgaande ontwikkeling van nieuwe varianten.
Het belang van de materiaalselectie is de afgelopen decennia ook toegenomen, omdat de mogelijkheden, maar ook de beperkingen van nieuw ontwikkelde materialen steeds materiaal specifieker zijn. Bovendien moet er rekening worden gehouden met steeds nieuwere productie/verwerkingstechnieken. Ook moet er naarmate de concurrentie groter is of naarmate de seriegrootte van het product groter is, slimmer worden ontworpen en geproduceerd. Omdat het materiaal in veel gevallen meer dan 50% van de totale kosten van het eindproduct uitmaakt, is het belang van de keuze duidelijk. Het gekozen materiaal heeft namelijk niet alleen een prijskaartje, maar bepaalt ook de wijze en complexiteit van bewerken, omvormen, lassen, warmtebehandelingen, oppervlaktebehandelingen, enz. Ook kan een onjuist gekozen materiaal aanleiding geven tot falen van het betreffende onderdeel, en dus tot gevolgschade en schadeclaims met alle gevolgen van dien. 
Figuur 1. De microstructuur van roestvast staal van het type 416 met daarin MnS (mangaansulfide) insluitsels ter verbetering van de verspaanbaarheid. Aan het oppervlak (links op de foto) heeft putvormige aantasting plaats gevonden.
De materiaalkeuze houdt dus veel meer in dan het kiezen van het materiaal met de beste eigenschappen in relatie tot de toepassing. De keuze is ook nauw verbonden met de verwerking. Een slechte materiaalkeuze kan de fabricagekosten verhogen en daarmee ook de productkosten. Bovendien moet men zich ervan bewust zijn dat de eigenschappen van een materiaal door fabricage processen beïnvloed kunnen worden, meestal in negatieve zin. Ook moet rekening gehouden worden met zekerheid van levering van de materialen. De afnemer moet zeker zijn dat de materialen, zeker als die nodig zijn voor seriefabricage, altijd geleverd kunnen worden. Zeker indien meer exotische materialen of bijzondere varianten roestvast staal overwogen neemt het aantal mogelijke leveranciers snel af, en kan leverbaarheid een probleem worden. Zelfs voor een gangbaar materiaal kan de levertijd een kritische invloed hebben op de planning (doorlooptijd) en dus op de totale fabricage.
Welke methodiek ook voor de materiaalselectie wordt toegepast, bij de keuze van een type roestvast staal gaat het uiteindelijk om de materialen met hun innerlijke en uiterlijke eigenschappen. De innerlijke eigenschappen (structuur, sterkte, taaiheid, hardheid, chemische resistentie) worden bepaald door de structuur van het materiaal, en dus door de chemische samenstelling, de vervorming- en warmtebehandeling geschiedenis, maar is ook afhankelijk van de materiaalverwerking. De structuur bepaalt uiteindelijk de prestaties van het materiaal onder de uiteindelijke bedrijfsomstandigheden (zoals druk, temperatuur, medium en materiaalspanningen, al dan niet wisselend, enz.). Van belang zijn ook de uiterlijke eigenschappen (structuur, oppervlaktegesteldheid), die mede worden bepaald door de chemische samenstelling, de structuur en de oppervlaktebehandeling. Deze uiterlijke eigenschappen zijn sterk van invloed op de corrosievastheid van het materiaal. Enige verbanden tussen de materiaalparameters en de eigenschappen zijn schematisch weergegeven in figuur 2.
Figuur 2. De onderlinge verbanden tussen de materiaaleigenschappen en de prestatie van dat materiaal tijdens bedrijf.
Roestvast staal
Volgens EN 10088 betreft roestvast staal een legering op ijzerbasis meteen gehalte van minimaal 10,5 m% chroom, en koolstofgehalte lager dan 1,2 m%. Roestvast staal kan, afhankelijk van de chemische samenstelling en de warmtebehandeling- en deformatiegeschiedenis de volgende microstructuren hebben (zie ook figuur 3):
• ferriet
• martensiet, waarbij de precipitatiehardende soorten worden inbegrepen
• austeniet
• ferriet/austeniet (duplex).
Figuur 3. Roestvast staal, ingedeeld in soort microstructuur, die afhankelijk is van de hoofd legeringelementen (bron: EuroInox).
Deze hoofdgroepen, al dan niet verder onderverdeeld, bestaan elk weer uit veel verschillende materialen, die zowel qua chemische samenstelling als de wijze waarop de specifieke eigenschappen, als rekgrens, treksterkte, breekrek, kerfslagwaarde, ferrietgehalte en corrosievastheid zijn verkregen (bijvoorbeeld koud deformeren of smeden, al dan niet gevolgd door een warmtebehandeling gedurende verschillende tijden, zoals oplosgloeien, harden en ontlaten), verschillen. Ook kan binnen elke soort nog weer onderscheid gemaakt worden naar productvorm, oppervlaktebehandeling, enz. De eigenschappen van de roestvast stalen uitgangsmaterialen of uitgangsproducten (half fabricaten) zijn voor iedere soort vastgelegd in de betreffende normen, voorschriften of materiaalspecificaties.
De globale samenstelling van de vier hoofdgroepen is (uitzonderingen daargelaten) als volgt:
• ferriet 10,5% tot 18,5% Cr, met minder dan 0,08% C
• martensiet 11,5% tot 17,0% Cr, met 0,08% tot 0,45% C
precipitatiehardende soorten bevatten bovendien ~4% Cu en ~4%Ni (martensitisch) of ~7%Ni en ~1% Al (semi-austenitisch).
• austeniet 16,0% tot 19,0% Cr, 6,0% tot 15,0% Ni, en minder dan 0,08% C.
Mogelijk ook 2% tot 3% Mo.
• duplex 22,0% tot 26,0% Cr, 3,5% tot 8,0% Ni, en minder dan 0,03% C.
Mogelijk ook tot 2,5% tot 4% Mo.
De globale rekgrens Re en treksterkte Rt van de vier hoofdgroepen (uitzonderingen daargelaten) is als volgt:
• ferriet Re ≥ 280 MPa Rt 450 - 650 MPa
• martensiet Re ≥ 500 MPa Rt 550 - 850 MPa
• martensiet, Re ≥ 700 MPa Rt 900 - 1400 MPa
precipitatie
hardend
• ferriet, Re ≥ 450 MPa Rt 600 - 850 MPa
austeniet
(duplex)
maar kan sterk variëren door de mate van koudvervorming of de toegepaste warmtebehandeling van het roestvast staal.
Als men de materiaalnormen bekijkt wordt duidelijk dat iedere norm nog ruimte laat voor de fabrikant van het roestvast staal. Immers de gespecificeerde samenstelling, de mechanische eigenschappen en de warmtebehandeling hebben een zekere tolerantie. Door de samenstelling wat aan te passen, wijzigen zich afhankelijk van de wals- en warmtebehandeling ook de mechanische eigenschappen. En zolang voldaan wordt aan de eisen zoals die worden gesteld in de materiaalnorm, dan is er ook niet wezenlijk iets aan de hand.
Bijvoorbeeld voor roestvast staal type AISI 316 (X5CrNiMo17-12-2 , EN/DIN Werkstoff-nummer 1.4401) wordt een chroomgehalte van 16,5 tot 18,5% , een nikkelgehalte van 10,0 tot 13,0% en een molybdeengehalte van 2,0% tot 2,5% gespecificeerd. Type 316 roestvaststaal bevat verder ≤0,08% C en ≤0,11% N.
De fabrikant kan dus gelet op de prijs van de legeringelementen Cr, Ni en Mo streven naar gehalten aan de ondergrens van de specificatie. Of dit van invloed is op de corrosievastheid of de mechanische eigenschappen is voor sommige fabrikanten niet zo van belang. Voor de gebruikers is de samenstelling echter wel van belang. Zo wordt de weerstand tegen putvormige corrosie van roestvast staal (figuur 4) immers wel weergegeven door het PREN (pitting resistance equivalent number PREN = %Cr + 3.3*%Mo + 16*%N), waarbij een hoger PREN een hogere weerstand tegen putcorrosie aangeeft.
Duidelijk is dat als er gekozen wordt voor een bepaald type roestvast staal, men er van op aan moet en wil kunnen dat de leverancier, eventueel in combinatie met een certificerende of controlerende instantie, ook het juiste materiaal en bijbehorend certificaat levert. Afhankelijk van het type certificaat moet het certificaat de werkelijkheid weergeven, dus met de werkelijk gemeten getallen, gemeten met deugdelijke en moderne apparatuur. De afnemer heeft vaak een materiaal nodig dat een bekende oorsprong heeft uit een betrouwbare fabriek en zou dit mogen verwachten als er een juist certificaat bij geleverd wordt. 
Figuur 4. Putvormige corrosie met vanuit de putten gegroeide spanning corrosiescheuren in een roestvast staal type 304 leiding.
Certificaten hebben afhankelijk van hun type een meer of minder betrouwbare inhoud. De betrouwbaarheid is immers afhankelijk van de onafhankelijk heid van de instantie die de eigenschappen meet en controleert. In tabel 1 staan de certificaat types en de daarbij behorende beschrijving van de eisen volgens EN 10204. Uit de tabel blijkt dat er verschillende certificaat typen zijn, zoals 2.1, 2.2 en 2.3 waarin de eerlijkheid volledig aan de fabrikant wordt overgelaten. Het laatste decennium waarin de nieuwe opkomende landen hun deuntje meeblazen blijkt de kwaliteit van materialen steeds vaker afhankelijk van de in het land van oorsprong heersende kwaliteitsmoraal en de heersende mentaliteit.
Moraal en mentaliteit, in combinatie met kennis en betrouwbare meetapparatuur, vormen de basis voor de begrippen kwaliteit en betrouwbaarheid. Zo worden nog steeds soorten roestvast staal regelmatig gewoon verwisseld, worden stempelingen en kenmerken eenvoudigweg gekopieerd en zijn materiaalcertificaten nogal eens minder waard dan het papier waarop ze gedrukt zijn. Dit geldt echter niet alleen voor de certificaat typen 2.1, 2.2. en 2.3, maar zelfs de certificaten waarbij onafhankelijke keuringsinstanties toezicht zouden moeten uitoefenen, blijken af en toe zeer onbetrouwbaar. Getallen worden verzonnen, er is weinig tot niets gecontroleerd en dan….? Ja, dan is het materiaal feitelijk anders dan verwacht en liggen problemen bij verwerkingen en bewerkingen als buigen en lassen, en gebruiksproblemen zoals corrosie of mechanisch falen op de loer. Dat dit voor de verwerker, die meende op de gegevens op de certificaten te kunnen vertrouwen, grote financiële gevolgen kan hebben en reputatieschade kan opleveren zal duidelijk zijn. 
Tabel 1 (bron www.bssa.org.uk). De tabel geeft zowel de huidige (C) als de ingetrokken (W) EN 10204 certificaat typen, met enige interpretatie van wat zij dekken. In geval van onenigheid moet de beschrijving in Tabel A.1 van EN 10204:2004 gebruikt worden.
In een vervolg op dit artikel zullen in de volgende uitgave van dit blad een aantal voorbeelden worden beschreven van schades. Die schades waren een gevolg van de inzet van middels de bijbehorende certificaten gesuggereerde goede materialen, die in werkelijkheid andere eigenschappen bleke te hebben dan op basis van die certificaten verwacht mochten worden.