Treksterkte uitgelegd: sleuteldefinities, belang, typen en praktijkvoorbeelden

Voor fabricanten is treksterkte een van de eerste dingen die nodig zijn bij het kiezen van een geschikt materiaal voor hun producten. In dit artikel behandelen we precies wat het is, hoe het verschilt van andere vergelijkbare specificaties, en hoe je het berekent.

Wat is Treksterkte?

De treksterkte van een materiaal is hoeveel belasting of trekkracht het over een specifiek gebied kan weerstaan voordat het ofwel permanent uitrekt of breekt. Terwijl de vervormingsgrens het punt is net voordat het materiaal begint uit te rekken op een manier dat het niet 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 zal helemaal onderaan de schaal staan.

Voor materialen die op een voorspelbare manier uitrekken—zoals een veer, bijvoorbeeld—zal de reactie op de toegepaste kracht, zijn "elasticiteit," afhangen van zijn "lineaire elastische zone." Als de kracht binnen deze zone ligt, zal de veer terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de kracht verdwenen is. Als niet, zal het materiaal breken of onherstelbaar beschadigd raken. Je kunt zien hoe trekkracht verschilt van andere typen in termen van richting in het onderstaande diagram.

Wat is het belang van het uitvoeren van een Treksterkte-test?

Trekkrachten worden gebruikt om de sterktte-eigenschappen van nieuwe materiaalformuleringen te leren. Het wordt gebruikt om de resultaten van warmtebehandelingen of andere processen te controleren, of om te verifiëren dat een partij materiaal voldoet aan de oorspronkelijke specificaties. Validatie van de eigenschappen van inkomende grondstoffen is een kritisch deel van procescontrole en falingspreventie. Of een leverancier de testen doet en de klant het accepteert, of de klant ervoor kiest om de claim van de leverancier over een partij materiaal te controleren.

Bij de fabriek van de onderdeelfabrikant kan het testen van de treksterkte van materialen een procescontrolestap zijn. Het helpt ervoor te zorgen dat materialen in de juiste conditie zijn met betrekking tot warmtebehandeling, case hardening, verharding, of enige andere productiestap die de sterkte en duktiliteit van het materiaal verandert. In een onderzoek- en ontwikkelingsomgeving is trekken testen een gemakkelijke manier om te controleren of een voorgestelde formulering de kenmerken heeft die gezocht worden voor een nieuwe toepassing, of voor verbetering van een bestaande.

Trekkrachten kunnen uitgevoerd worden op teststaven die gegoten zijn in vorm of bewerkt uit grondstof. Ze kunnen ook bewerkt worden uit een daadwerkelijk gegoten of bewerkt onderdeel als er een kritieke behoefte is om eigenschappen in één sectie van een groot onderdeel te controleren.

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

Treksterkte is een belangrijke factor in 3D-printen, specifiek vanwege het potentieel voor richtingsgebonden trekeigenschappen. Bijvoorbeeld, 3D-geprinte kunststofonderdelen met FDM (fused deposition modeling) technologie zullen een lagere treksterkte hebben langs hun z-as, waar de z-as refereert naar de verticale hoogte van het onderdeel. Dit is omdat de individuele lagen niet volledig met elkaar gesmolten zijn en alleen in contact zijn met elkaar over een klein oppervlaktegebied.

Veel materiaaldatabladen voor 3D-geprinte materialen zullen de treksterktes in verschillende richtingen binnen het materiaal angeven (vaak in de Z- en XY-richtingen). Andere 3D-printtechnologieën, zoals SLM (selective laser melting), zullen onderdelen produceren 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 belasting die toegepast wordt. Bijvoorbeeld, als een onderdeel alleen in compressie belast wordt, dan maakt treksterkte niet uit. Of als het onderdeel een behuizing is voor elektronica, dan is treksterkte minder belangrijk dan anti-statische en vochtabsorptie-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 blootgesteld zal zijn aan mechanische belasting. Bijvoorbeeld, als je een 3D-geprinte ABS-onderdeel ontwerpt, dan zou het een fout zijn om normale ABS-eigenschappen te gebruiken. 3D-printmateriaal kan lagere treksterkte hebben vergeleken met de theoretische treksterkte van het materiaal gebaseerd op de gebruikte 3D-printtechnologie.

Hoe bereken je de Treksterkte van een materiaal?

Om treksterkte correct te meten, delen we de kracht per eenheid van een doorsnede-oppervlak van het materiaal in plaats van zijn hele oppervlak. Maar je kunt de treksterkte van een materiaal niet direct berekenen zonder eerst de spanning-rek-curve te kennen.

σ = F/A – eq 1

• σ = spanning
• F = kracht
• A = oppervlak

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

Wat zijn de verschillende typen Treksterkte?

Er zijn een paar verschillende typen treksterkte, maar de term kan betekenen wat voor je het nuttigst is. Bijvoorbeeld, cijfers uitgewerkt onder standaardcondities zullen het nuttigst zijn voor ingenieurs die materiaalformuleringen of partijen willen vergelijken, of die proberen uit te vinden of een materiaal goed zal zijn voor een bepaalde taak. De meest voorkomende typen die gebruikt worden zijn vervormingsgrens, uiteindelijke treksterkte, en breuksterkte, en we kijken hier een beetje dieper naar.

1. Vervormingsgrens (Yield Strength)

Zoals eerder een beetje vermeld, is de vervormingsgrens het punt waarop permanente (of plastische) vervorming begint in een materiaal. Voor staal is dit zodra het vervormd is voorbij zijn proportionele limiet, meestal gezien als een rechte lijn op een spanning-rek-curve. Voor materiaal zonder een duidelijke yield-punt, zoals aluminium, wordt de vervormingsgrens gerapporteerd als de spanning die samenvalt met 0,2% rek. In de meeste gevallen worden metalen onderdelen ontworpen om spanningen in de dienstomgeving onder de vervormingsgrens te houden. In het geval van zeer broze materialen, zoals keramiek, zullen deze falen bij zeer kleine vervormingen en niet vervormen. Andere materialen, zoals elastomeren, kunnen veelvuldig hun oorspronkelijke lengte uitrekken zonder te breken en tonen alleen een kleine hoeveelheid permanente vervorming zodra de last verwijderd is.

2. Breuksterkte (Breaking Strength)

Ook wel bekend als fractuursterkte, dit refereert naar het punt waarop het materiaal geen last meer kan dragen en breekt. Dit kan gezien worden als het eindpunt van een spanning-rek-curve, d.w.z. punt "ε" in de vervormingsgrens-diagram hierboven. Het breukpunt is ook het punt dat gebruikt wordt voor het meten van totale uitrekking.

3. Uiteindelijke sterkte (Ultimate Strength)

Dit is de maximale spanning die een materiaal kan aan voordat het uiteindelijk breekt onder een treklast. Sommige metalen zullen strain hardening ervaren na het passeren van hun vervormingsgrens, en ze zullen blijven vervormen naarmate de spanning toeneemt tot ze bij de uiteindelijke treksterkte van het materiaal komen. Niet alle materialen, bijvoorbeeld kunststoffen, zullen een goed gedefinieerde uiteindelijke treksterkte hebben.

Welk materiaal heeft de hoogste Treksterkte?

Het materiaal met de hoogste treksterkte is grafeen. Grafeen heeft een uiteindelijke treksterkte van ongeveer 130 GPa, wat het sterker maakt dan koolstofnanobuizen, die tot recent de hoogste treksterkte hadden. Deze materialen zijn ver sterker dan het sterkste elementaire metaal, wolfram, dat een uiteindelijke treksterkte heeft van 0,98 GPa, of de iets sterker warmtebehandelde Inconel®, met een uiteindelijke treksterkte van 1,034 GPa. Het moet wel opgemerkt worden dat noch grafeen noch koolstofnanobuizen goedkoop massaproduceerbaar zijn.

Welk materiaal heeft de laagste Treksterkte?

Kunststoffen neigen ertoe erg lage treksterktes te hebben vergeleken met metalen en keramiek. Bijvoorbeeld, LDPE (laag-dichtheid polyethyleen) heeft een treksterkte van 10 MPa. Het definiëren van het materiaal met de laagste treksterkte is moeilijk, omdat laag-treksterkte materialen beperkte praktische toepassing hebben, specifiek voor lastdragende gebruiken. Het opsommen van materialen op basis van lage treksterkte is geen gangbare praktijk.

Welk apparaat wordt gebruikt om Treksterkte te meten?

Een trektester wordt gebruikt om de treksterkte van een specimen te meten. Deze machine grijpt het teststuk aan elk uiteinde en past een gecontroleerde hoeveelheid trekkracht toe, met een constante snelheid. De machine logt automatisch data over de toegepaste last en de verplaatsing van de grepen voor verdere analyse.

Om meer te leren, zie ons volledige artikel over Trektestmachine.

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?

Treksterkte kan beïnvloed worden door verschillende factoren, zoals.

1. Temperatuur: De treksterkte van een materiaal daalt meestal wanneer de temperatuur stijgt. Onder kamertemperatuur worden de meeste materialen iets sterker, maar ze worden ook minder duktil.
2. Werkverharding: Het hele concept van het proces is om een materiaal plastisch te vervormen om het harder te maken. Door een metaal te rollen, hameren, buigen of uit te rekken, gaat de kristalstructuur door microscopische veranderingen die de vervormingsgrens en uiteindelijke treksterkte verhogen, terwijl tegelijkertijd de duktiliteit vermindert.
3. Additieven: Glas- of koolstofvezel toegevoegd aan een materiaal kan de treksterkte van niet-metalen verhogen, zoals nylon, bijvoorbeeld.
4. Warmtebehandeling: Net als werkverharding, verandert dit ook de microstructuur van een metaal en, afhankelijk van het type behandeling, kan het resulteren in ofwel een verhoging OF een verlaging van de treksterkte.
5. Defecten: Oppervlakte- en interne defecten kunnen de treksterkte van een materiaal verlagen omdat ze zwakke punten creëren waar scheuren kunnen beginnen.

Wat zijn de twee typen Treksterkte-falen?

Er zijn twee hoofdtypen van treksterkte-falen: broos en duktil.

1. Broos falen (Brittle Failure)

Broos falen treedt voornamelijk op met harde materialen, zoals gietijzer. Het materiaal zal niet veel vervormen voordat het plotseling faalt.

Om meer te leren, zie ons artikel over Broos falen

2. Duktil falen (Ductile Failure)

Duktil falen is de primaire trekfalmodus voor veel structurele stalen en zachtere materialen, zoals aluminium, en is geleidelijk in plaats van instantan. Nadat het materiaal begint te vervormen, gaat plastische vervorming door, dan localiseert het, producerend een "hals" dat de plaats zal zijn van de eindelijke scheiding van het materiaal.

Om meer te leren, zie ons artikel over Duktil falen

Veelgestelde vragen over Treksterkte

Wat is het verschil tussen Treksterkte en Trekkingsspanning?

De trekkingsspanning van een materiaal is de hoeveelheid kracht per eenheid oppervlak die het ervaart door een treklast, maar treksterkte is zijn vervormingsgrens, uiteindelijke, of breuksterkte.

Wat is het verschil tussen Treksterkte en Vervormingsgrens?

De treksterkte van een materiaal toont hoe goed het treklasten die erop toegepast worden kan weerstaan. Verschillende specifiek gedefinieerde treksterkte-metrieken zijn waardevol voor ingenieurs: vervormingsgrens, de spanning waarop een materiaal begint plastisch te vervormen, en uiteindelijke treksterkte, vaak kortweg aangeduid als "treksterkte", wat de maximale spanning is die een materiaal kan weerstaan 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 belasting. Bijvoorbeeld, als een onderdeel alleen in compressie belast wordt of als het een behuizing voor elektronica zal zijn (waar anti-statische en vochtabsorptie-eigenschappen belangrijker zijn), dan maakt treksterkte niet veel uit. Als het onderdeel blootgesteld zal zijn aan mechanische belasting, heb je zeker de treksterkte nodig.

Bijvoorbeeld, als je een 3D-geprinte ABS-onderdeel ontwerpt, dan zou het een fout zijn om normale ABS-eigenschappen te gebruiken. 3D-printmateriaal kan lagere treksterkte hebben vergeleken met de theoretische treksterkte van het materiaal gebaseerd op de gebruikte 3D-printtechnologie. Veel materiaaldatabladen voor 3D-geprinte materialen tonen de treksterktes in verschillende richtingen binnen het materiaal (vaak in de Z- en XY-richtingen). Andere 3D-printtechnologieën, zoals SLM (selective laser melting), produceren onderdelen met een isotrope structuur, wat betekent dat hun eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, editor, en content-specialist uit het VK met 20+ jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor diverse productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was Kat bijna 10 jaar paralegal, zeven daarvan in scheepsfinanciering. Ze heeft geschreven voor veel publicaties, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven van Kingston University.

Lees meer artikelen door Kat de Naoum