Opbrengststerkte uitgelegd:definitie, belang, grafieken en berekening

Het begrijpen van de verschillende spanningen die een materiaal ervaart, is de sleutel om te weten hoe het zal reageren als het een product is en geconfronteerd wordt met druk en spanningen in de echte wereld. Als je een idee hebt van hoe het zich zal houden, zul je wetenschappelijk onderbouwde gemoedsrust hebben over de materialen die je kiest en weet je hoe ver iets kan uitrekken, buigen of samendrukken voordat het breekt en vervormt. Een handig concept dat onder deze paraplu van spanningen valt, is het meten van de vloeigrens, waar we verderop dieper op in zullen gaan.

Wat is de vloeigrens?

De vloeigrens vertelt ingenieurs wanneer een materiaal van elastische vervorming naar plastische vervorming gaat, waarbij de eerste iets is waar het van terug moet stuiteren en de laatste een punt waarop het niet langer naar zijn oorspronkelijke vorm kan terugkeren. Het kan worden berekend via een specifieke formule, waar we op terug zullen komen. Maar eerst is het belangrijk om te begrijpen hoe het er in een grafiek uitziet en welke andere punten er in een spanning-rekgrafiek voorkomen.

Hoe verhoudt de opbrengststerkte zich tot 3D-printen?

De opbrengststerkte is relevant voor 3D-printen omdat de sterkte van een 3D-geprint onderdeel grotendeels gebaseerd is op het materiaal, de printoriëntatie en de printkwaliteit. 3D-geprinte onderdelen zijn sterker binnen het vlak van elke geprinte laag dan in de richting over de opgebouwde stapel geprinte lagen. De moleculaire bindingen tussen lagen zijn zwakker dan die binnen lagen, dus als er overmatige kracht op wordt uitgeoefend, kunnen ze delamineren. Door een onderdeel te oriënteren om te profiteren van de betere sterkte binnen de laag, kan de algehele vloeigrens van het onderdeel worden vergroot.

Voor meer informatie kunt u onze volledige gids raadplegen, alles wat u moet weten over 3D-printen.

Heeft de opbrengststerkte invloed op de prestaties van een 3D-geprint materiaal?

Ja, de vloeigrens van een 3D-geprint materiaal heeft een grote invloed op de prestaties ervan. Een 3D-geprint onderdeel met onvoldoende vloeigrens kan plastisch vervormen onder de normale bedrijfsbelastingen in een toepassing. De plastische vervorming vermindert niet alleen het draagvermogen van het onderdeel, maar vergroot ook de kans op breuk.

Hoe begrijp je de spanning-rekcurvegrafiek van de vloeisterkte?

Om een visuele weergave van de vloeigrens te krijgen, kunt u punten op een spanning-rekcurve plaatsen, maar de vloeigrens is niet het enige dat kan worden berekend en in deze grafiek kan worden weergegeven. Hieronder zie je een voorbeeld van hoe het eruit ziet, en we bespreken de andere kenmerken die je opvallen.

Zie ons artikel over de spanning-rekcurve voor meer informatie.

Wat zijn de verschillende manieren om de spanning-rekgrafiek van de vloeisterkte uit te leggen?

Het vloeipunt is slechts één punt op een spanning-rekcurve. Rondom dat punt bevinden zich andere kenmerken die kunnen worden beschreven en gemeten aan de hand van een spanning-rekcurve. Deze interessante punten en regio's worden in de onderstaande lijst uitgelegd:

1. Opbrengstpunt

Dit is het punt dat laat zien wanneer plastische vervorming begint en dat fabrikanten en ingenieurs een idee geeft van hoe een materiaal zich zal houden onder treksterkte. Wanneer u het zelf plot, na het berekenen van de formule, zult u merken dat deze bestaat waar het lineaire gedeelte van de spanning-rekcurve eindigt en waar het niet-lineaire gedeelte begint. Interessant genoeg zul je ook merken dat sommige materialen twee hebben vloeigrens, zoals zacht staal.

2. Elasticiteitslimiet

Als u naar dit punt kijkt, ziet u de maximale hoeveelheid spanning die een materiaal aankan, vlak voordat het permanent vervormt. Zodra de spanning verdwijnt, zal het terugveren naar zijn oorspronkelijke vorm, maar als je het voorbij deze limiet duwt, zal er vervorming optreden. Het is de laatste stop op de weg naar vervorming voordat het vloeipunt verschijnt. 

3. Proportionaliteitslimiet

Je vindt dit punt aan het einde van het lineaire gedeelte van de spanning-rekcurve en deelt het punt waarop spanning en rek niet langer recht evenredig met elkaar zijn. Om dit getal te vinden, zou je de elasticiteitsmodulus van Young gebruiken, ook wel de elasticiteitsmodulus genoemd. 

4. Echte elastische limiet

Dit punt wordt niet vaak gebruikt, maar het laat zien wanneer de kristallijne structuur van een materiaal onder spanning begint te verschuiven – met name de laagste hoeveelheid spanning wanneer dit begint te gebeuren. De reden waarom er zelden te veel over wordt nagedacht of getoond, is omdat het moeilijk te detecteren is.

5. Bovenste en onderste opbrengstpunten

De bovenste vloeigrens laat zien wanneer het kristalrooster van het materiaal dislocaties in zijn structuur begint te zien, maar wordt zwaar beïnvloed door zelfs de kleinste invloeden op de spanning en de testapparatuur die wordt gebruikt, dus het is niet helemaal betrouwbaar als het gaat om ontwerp- en technische keuzes. Het lagere vloeipunt is echter veel gemakkelijker te herhalen bij het testen en is de periode waarin Luders-banden in een testgedeelte verschijnen, net voordat de rekverharding begint.

6. Compensatie van opbrengstspanning (bewijsspanning)

Dit wordt ook wel proefspanning genoemd en is de meest gebruikelijke methode om de vloeigrens van een materiaal te beschrijven. Je kunt het vinden door een lijn te tekenen die evenwijdig loopt aan het lineaire gedeelte van de spanning-rekcurve. Waar dit punt en de spanning-rekcurve elkaar kruisen, is de vloeigrens. 

Wat betekenen insnoering en breuk in de vloeisterktetest?

Dit zijn geen punten op de curve, maar eerder dingen die met een materiaal kunnen gebeuren tijdens het testen op de vloeigrens. Insnoering is een vorm van vervorming die optreedt voordat er een breuk optreedt bij maximale technische spanningsniveaus, en is meestal beperkt tot een specifiek deel van het materiaal. Er zal dan een breuk of breuk plaatsvinden. Zodra er sprake is van insnoering, zal de spanning afnemen omdat het oppervlak van het monster kleiner is geworden.

Wat is het belang van vloeigrens?

De vloeigrens is belangrijk omdat deze de hoogste spanning karakteriseert die een materiaal kan verdragen voordat permanente vervorming optreedt. De vloeispanning van een materiaal wordt vaak door ingenieurs gebruikt om de maximaal toelaatbare belasting te bepalen die een ontworpen onderdeel of constructie kan weerstaan. Door de vloeigrens van een materiaal te kennen, kunnen ingenieurs veiliger en duurzamere onderdelen ontwerpen.

Wat is de formule voor de opbrengststerkte?

Om de vloeigrens te berekenen, kunt u vertrouwen op de formule die altijd wordt gebruikt voor het bepalen van de spanning in het algemeen. Hieronder kunt u zien hoe de formule er uitgeschreven uitziet.

Het symbool F in deze vergelijking staat voor uitgeoefende kracht, en A0 is de dwarsdoorsnede van het materiaalmonster dat u test.

De waarde wordt normaal gesproken uitgedrukt als Pascal (Pa), de SI-eenheid voor spanning, of in ponden per vierkante inch (psi). De vloeigrens wordt gewoonlijk geschreven als σY, waarbij de Griekse letter Sigma wordt gebruikt voor technische spanning en Y voor vloei. Mogelijk vindt u het ook geschreven als SY.

Wat is de eenheid voor vloeigrens?

De vloeigrens wordt gewoonlijk uitgedrukt in Pascal (Pa), de SI-eenheid voor spanning, of in ponden per vierkante inch (psi). 

Wat is het symbool voor vloeigrens?

Het symbool voor vloeigrens is σY. De Griekse letter σ is het symbool dat wordt gebruikt voor technische spanning, terwijl het subscript “Y” “yield” betekent. Af en toe wordt “SY” ook gebruikt om de vloeigrens aan te duiden.

Hoe lees je de opbrengststerkte af uit een spanning-rekgrafiek?

Om een rekgrensgrafiek (spanning-rekcurve) te lezen, kiest u eerst een spanningswaarde op de Y-as. Ten tweede tekent u een horizontale lijn die zich uitstrekt tussen het geselecteerde punt op de Y-as en de lijn van de spanning-rekgrafiek. Ten derde markeert u het snijpunt van de getekende lijn en de vloeigrensgrafiek. Teken vervolgens een verticale lijn, beginnend vanaf het gemarkeerde punt tot aan de X-as. Het punt waar de verticale lijn de X-as snijdt, is de rek die overeenkomt met de geselecteerde spanning op de Y-as.

Wat zijn voorbeelden van vloeigrens

Het vergelijken van materialen kan vaak het beste idee geven van hoe de vloeigrens wordt weergegeven en hoe typische waarden eruitzien. We hebben hier een handvol voorbeelden geplaatst:

1. Staal: Het zal afhangen van hoe het staal wordt gesmeed, gevormd en gemaakt, maar warmgewalst A36-staal schommelt rond een lage 220 MPa, en staal dat met olie is geblust of getemperd kan een hogere waarde hebben, tot wel 1.570 MPa.
2. Roestvrij staal: Het bereik voor roestvrij staal kan beginnen rond de 250 MPa voor austenitisch roestvrij staal, terwijl een precipitatiegehard roestvrij staal een vloeigrens kan hebben tot 1.000 MPa.
3. Aluminiumlegeringen: Deze zijn meestal lager dan staal, maar hoger dan plastic. Een aluminiumkwaliteit van 1100 heeft een gemiddelde vloeigrens van ongeveer 24 MPa, terwijl aluminium van 7075 een gemiddelde rekgrens heeft van ongeveer 483 MPa. 
4. Kunststoffen: Afhankelijk van het plastic waarmee je werkt, kun je een vloeigrens van 4 MPa verwachten voor bijvoorbeeld geplastificeerd PVC en 300 MPa voor een met koolstofvezels gevuld polyamide.

Welk apparaat wordt gebruikt om de opbrengststerkte te meten?

Voor het meten van de vloeigrens wordt gebruik gemaakt van een universele testmachine, ook wel trekproefmachine genoemd. Deze machines voeren trekproeven uit, waarbij een continu toenemende trekbelasting op een proefstuk wordt uitgeoefend, normaal gesproken met een constante reksnelheid. Terwijl de belasting wordt uitgeoefend, worden de spanningen en spanningen die het testmonster ondervindt, digitaal vastgelegd en in een grafiek weergegeven.  Spanning wordt weergegeven op de Y-as, terwijl een rek wordt weergegeven op de X-as. De vloeigrens wordt bepaald door een parallelle, verschoven lijn te creëren met een positieve rek van 0,2% ten opzichte van het lineaire gedeelte van de spanning-rekgrafiek. De spanning op het snijpunt van de offsetlijn en de spanning-rekgrafiek is de vloeigrens van het materiaal.

Voor meer informatie, zie ons artikel over de trekbank.

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