Treksterkte uitgelegd:belangrijkste definities, belang, typen en voorbeelden uit de praktijk

Voor fabrikanten is treksterkte een van de eerste zaken die nodig zijn bij het kiezen van een geschikt materiaal voor hun producten. In dit artikel leggen we uit wat het precies is, hoe het verschilt van andere vergelijkbare specificaties en hoe je het kunt berekenen.

Wat is treksterkte?

De treksterkte van een materiaal is de hoeveelheid belasting of trekkracht die het over een specifiek gebied kan verdragen voordat het permanent uitrekt of breekt. Terwijl de vloeigrens het punt is vlak voordat het materiaal zodanig begint uit te rekken dat het niet meer terug kan naar zijn oorspronkelijke vorm, is de treksterkte het punt waarop het breekt. Een materiaal als staal heeft een hoge treksterkte, maar een rubberen band bevindt zich helemaal onderaan de schaal. 

Voor materialen die op een voorspelbare manier uitrekken – zoals een veer bijvoorbeeld – zal de reactie op de uitgeoefende kracht, de ‘elasticiteit’, afhangen van de ‘lineaire elastische zone’. Als de kracht zich binnen deze zone bevindt, zal de veer terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de kracht weg is. Als dit niet het geval is, zal het materiaal breken of onherstelbaar beschadigd raken. In het onderstaande diagram kunt u zien hoe de trekkracht qua richting verschilt van andere typen.

Wat is het belang van het uitvoeren van een treksterktetest?

Trekproeven worden gebruikt om meer te weten te komen over de sterkte-eigenschappen van nieuwe materiaalformuleringen. Het wordt gebruikt om de resultaten van warmtebehandelingen van andere processen te controleren, of om te verifiëren dat veel materiaal aan de oorspronkelijke specificaties voldoet. Validatie van de eigenschappen van binnenkomende grondstoffen is een cruciaal onderdeel van procescontrole en foutpreventie. Dit is of een leverancier de tests uitvoert en de klant dit accepteert, of dat de klant ervoor kiest om de beweringen van de leverancier over veel materiaal te controleren.

In de fabriek van de onderdelenfabrikant kan het testen van de treksterkte van materialen een procescontrolestap zijn. Het helpt ervoor te zorgen dat materialen zich in de juiste staat bevinden wat betreft warmtebehandeling, verharding, uitharding of enige andere productiestap die de sterkte en ductiliteit van het materiaal verandert. In een onderzoeks- en ontwikkelingsomgeving zijn trekproeven een gemakkelijke manier om te controleren of een voorgestelde formulering de gewenste kenmerken heeft voor een nieuwe toepassing, of voor verbetering van een bestaande.

Trekproeven kunnen worden uitgevoerd op proefstaven die in vorm worden gegoten of machinaal uit ruw materiaal worden vervaardigd. Ze kunnen ook worden vervaardigd uit een daadwerkelijk gegoten of machinaal bewerkt onderdeel als er een kritische behoefte bestaat om de eigenschappen van een sectie van een groot onderdeel te controleren.

Wat is het belang van treksterkte in 3D-geprinte onderdelen?

Treksterkte is een belangrijke factor bij 3D-printen, vooral vanwege het potentieel voor directionele trekeigenschappen. 3D-geprinte plastic onderdelen die gebruik maken van FDM-technologie (fused deposition modeling) zullen bijvoorbeeld een lagere treksterkte hebben langs hun z-as, waarbij de z-as verwijst naar de verticale hoogte van het onderdeel. Dit komt doordat de afzonderlijke lagen niet volledig met elkaar versmolten zijn en slechts over een klein oppervlak met elkaar in contact staan.

Veel materiaalgegevensbladen voor 3D-geprinte materialen geven de treksterktes in verschillende richtingen binnen het materiaal aan (meestal in de Z- en XY-richting). Andere 3D-printtechnologieën, zoals SLM (selectief lasermelten), produceren onderdelen met een isotrope structuur, wat betekent dat hun eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn.

Wat is de ideale treksterkte voor 3D-printmaterialen?

De ideale treksterkte hangt af van de toepassing van het onderdeel, het gebruikte materiaal en de grootte en richting van de uitgeoefende belastingen. Als een onderdeel bijvoorbeeld alleen op druk wordt belast, doet de treksterkte er niet toe. Of als het onderdeel een behuizing voor elektronica is, dan is treksterkte minder belangrijk dan antistatische en vochtabsorberende eigenschappen. Bij het ontwerpen van 3D-geprinte onderdelen wordt het materiaal geselecteerd op basis van de toepassing en niet andersom. 

Is het belangrijk om de treksterkte van 3D-geprinte materialen te bepalen?

Ja, het is belangrijk om de treksterkte van 3D-geprinte materialen te bepalen. Maar alleen als het 3D-geprinte onderdeel wordt blootgesteld aan mechanische belasting. Als u bijvoorbeeld een 3D-geprint ABS-onderdeel ontwerpt, zou het een vergissing zijn om normale ABS-eigenschappen te gebruiken. 3D-printmateriaal heeft mogelijk een lagere treksterkte vergeleken met de theoretische treksterkte van het materiaal op basis van de gebruikte 3D-printtechnologie.

Hoe bereken je de treksterkte van een materiaal?

Om de treksterkte correct te meten, verdelen we de kracht per eenheid van een dwarsdoorsnede van het materiaal in plaats van over het hele oppervlak. Maar je kunt de treksterkte van een materiaal niet rechtstreeks berekenen zonder eerst de spanning-rekcurve te kennen.

σ =F/A – eq 1

• σ =stress
• F =kracht
• Een =gebied

De SI-treksterkte-eenheid is MPa (N/mm2). In principe is de sterkte gelijk aan de spanning op het breukpunt van het materiaal, en dit breukpunt kan worden gekarakteriseerd door de kracht per oppervlakte-eenheid.

Wat zijn de verschillende soorten treksterkte?

Er zijn een paar verschillende soorten treksterkte, maar de term kan betekenen wat voor u het nuttigst is. Cijfers die onder standaardomstandigheden zijn uitgewerkt, zullen bijvoorbeeld het nuttigst zijn voor ingenieurs die materiaalformuleringen of partijen willen vergelijken, of voor degenen die proberen uit te vinden of een materiaal goed zal zijn voor een bepaalde taak. De meest gebruikte typen zijn vloeisterkte, ultieme treksterkte en breeksterkte. We zullen deze hieronder wat gedetailleerder bekijken.

1. Opbrengststerkte

Zoals iets eerder vermeld, is de vloeigrens het punt waarop permanente (of plastische) vervorming in een materiaal begint. Voor staal is dit zodra het vervormd is tot voorbij zijn proportionele limiet, meestal gezien als een rechte lijn op een spanning-rek-curve. Voor materiaal zonder duidelijk vloeipunt, zoals aluminium, wordt de vloeigrens gerapporteerd als de spanning die samenvalt met een rek van 0,2%. In de meeste gevallen zijn metalen onderdelen ontworpen om spanningen in de gebruiksomgeving onder de vloeigrens te houden. Bij zeer brosse materialen, zoals keramiek, zullen deze bij zeer kleine vervormingen bezwijken en helemaal niet meegeven. Andere materialen, zoals elastomeren, kunnen vele malen hun oorspronkelijke lengte worden uitgerekt zonder te breken en vertonen slechts een kleine mate van blijvende vervorming zodra de belasting is verwijderd.

2. Breeksterkte

Dit wordt ook wel breuksterkte genoemd en verwijst naar het punt waarop het materiaal geen belasting meer kan dragen en breekt. Dit kan worden gezien als het eindpunt van een spanning-rekcurve, d.w.z. punt “ε ” in het bovenstaande vloeigrensdiagram. Het breekpunt is ook het punt dat wordt gebruikt voor het meten van de totale rek.

3. Ultieme kracht

Dit is de maximale spanning die een materiaal aankan voordat het onder een trekbelasting breekt. Sommige metalen zullen spanningsverharding ervaren nadat ze hun vloeigrens hebben overschreden, en ze zullen blijven vervormen naarmate de spanning toeneemt totdat ze de ultieme treksterkte van het materiaal bereiken. Niet alle materialen, bijvoorbeeld kunststoffen, hebben een goed gedefinieerde treksterkte.

Welk materiaal heeft de hoogste treksterkte?

Het materiaal met de hoogste treksterkte is grafeen. Grafeen heeft een treksterkte van ongeveer 130 GPa, waardoor het sterker is dan koolstofnanobuisjes, die tot voor kort de hoogste treksterkte hadden. Deze materialen zijn veel sterker dan het sterkste elementaire metaal, wolfraam, dat een treksterkte heeft van 0,98 GPa, of het iets sterkere, warmtebehandelde Inconel®, met een treksterkte van 1,034 GPa. Er moet echter worden opgemerkt dat grafeen noch koolstofnanobuisjes goedkoop in massa kunnen worden geproduceerd. 

Welk materiaal heeft de laagste treksterkte?

Kunststoffen hebben doorgaans een zeer lage treksterkte in vergelijking met metalen en keramiek. LDPE (low-density polyethyleen) heeft bijvoorbeeld een treksterkte van 10 MPa. Het definiëren van het materiaal met de laagste treksterkte is moeilijk, omdat materialen met een lage treksterkte een beperkte praktische toepassing hebben, met name voor dragende toepassingen. Het vermelden van materialen op basis van lage treksterkte is niet gebruikelijk. 

Welk apparaat wordt gebruikt om de treksterkte te meten?

Om de treksterkte van een monster te meten, wordt een trekbank gebruikt. Deze machine grijpt het proefstuk aan elk uiteinde vast en oefent er een gecontroleerde hoeveelheid trekkracht op uit, met een constante snelheid.  De machine registreert automatisch gegevens over de toegepaste belasting en de verplaatsing van de grepen voor verdere analyse.

Zie ons volledige artikel over trekbanken voor meer informatie.

Wat zijn de toepassingen van treksterkte?

Treksterkte is een materiaaleigenschap en heeft geen toepassing.

Wat zijn de factoren die de treksterkte van een materiaal kunnen beïnvloeden?

De treksterkte kan worden beïnvloed door verschillende factoren, zoals.

1. Temperatuur :De treksterkte van een materiaal neemt meestal af als de temperatuur stijgt. Beneden kamertemperatuur worden de meeste materialen iets sterker, maar ook minder taai.
2. Werkverharding :Het hele concept van het proces is het plastisch vervormen van een materiaal om het harder te maken. Door een metaal te walsen, te hameren, te buigen of uit te rekken, ondergaat de kristalstructuur ervan microscopische veranderingen die de vloei en de uiteindelijke treksterkte vergroten, terwijl tegelijkertijd de ductiliteit ervan wordt verminderd.
3. Additieven :Glas- of koolstofvezel die aan een materiaal wordt toegevoegd, kan de treksterkte van niet-metalen, zoals nylon, vergroten.
4. Warmtebehandeling :Net als bij harden verandert dit ook de microstructuur van een metaal en kan dit, afhankelijk van het type behandeling, resulteren in een toename OF een afname van de treksterkte.
5. Defecten :Oppervlakte- en interne defecten kunnen de treksterkte van een materiaal verminderen, omdat ze zwakke punten creëren waar scheuren kunnen ontstaan.

Wat zijn de twee soorten breuken in de treksterkte?

Er zijn twee hoofdtypen van breuken in de treksterkte:bros en ductiel.

1. Broze mislukking

Brosbreuk komt vooral voor bij harde materialen, zoals gietijzer. Het materiaal zal niet veel vervormen voordat het plotseling bezwijkt.

Zie ons artikel over broos falen

voor meer informatie

2. Nodulair falen

Ductiel falen is de belangrijkste vorm van breuk door trek voor veel constructiestaal en zachtere materialen, zoals aluminium, en is geleidelijk in plaats van onmiddellijk. Nadat het materiaal begint mee te geven, gaat de plastische vervorming door en plaats zich vervolgens, waardoor een "nek" ontstaat die de plaats zal zijn waar het materiaal definitief wordt gescheiden.

Zie ons artikel over ductiel falen

voor meer informatie

Veelgestelde vragen over treksterkte

Wat is het verschil tussen treksterkte en trekspanning?

De trekspanning van een materiaal is de hoeveelheid kracht per oppervlakte-eenheid die het ondervindt als gevolg van een trekbelasting, maar de treksterkte is de vloei-, ultieme- of breuksterkte.

Wat is het verschil tussen treksterkte en vloeigrens?

De treksterkte van een materiaal laat zien hoe goed het bestand is tegen trekbelastingen die erop worden uitgeoefend. Verschillende specifiek gedefinieerde treksterktegegevens zijn waardevol voor ingenieurs:vloeigrens, de spanning waarbij een materiaal plastisch begint te vervormen, en de uiteindelijke treksterkte, vaak kortweg 'treksterkte' genoemd, wat de maximale spanning is die een materiaal kan verdragen voordat falen onvermijdelijk wordt.

Wat is de beste treksterkte voor 3D-printen?

Bij het ontwerpen van 3D-geprinte onderdelen wordt het materiaal geselecteerd op basis van de toepassing en niet andersom. Het hangt ook af van het type materiaal en de richting en hoeveelheid van de belastingen. Als een onderdeel bijvoorbeeld alleen onder druk wordt belast of als het een behuizing voor elektronica wordt (waarbij antistatische en vochtabsorberende eigenschappen belangrijker zijn), dan doet de treksterkte er niet zoveel toe. Als het onderdeel wordt blootgesteld aan mechanische belasting, moet u zeker de treksterkte kennen.

Als u bijvoorbeeld een 3D-geprint ABS-onderdeel ontwerpt, zou het een vergissing zijn om normale ABS-eigenschappen te gebruiken. 3D-printmateriaal heeft mogelijk een lagere treksterkte vergeleken met de theoretische treksterkte van het materiaal op basis van de gebruikte 3D-printtechnologie. Veel materiaalgegevensbladen voor 3D-geprinte materialen tonen de treksterktes in verschillende richtingen binnen het materiaal (meestal in de Z- en XY-richting). Andere 3D-printtechnologieën, zoals SLM (selectief lasermelten), zullen onderdelen produceren met een isotrope structuur, wat betekent dat hun eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, redacteur en contentspecialist uit Groot-Brittannië met meer dan 20 jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor verschillende productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was Kat bijna tien jaar juridisch medewerker, waarvan zeven jaar in de scheepsfinanciering. Ze heeft voor veel publicaties geschreven, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven aan de Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum