Vervormingsgrens (Yield Strength) 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 wanneer het een product is en met drukken en spanningen in de echte wereld geconfronteerd wordt. Wanneer u een idee hebt van hoe het zich houdt, heb u wetenschappelijk onderbouwde rust over de materialen die u kiest en weet u precies hoe ver iets kan rekken, buigen of comprimeren voordat het breekt en vervormt. Een handig concept dat onder deze paraplu van spanningen valt, is de meting van de vervormingsgrens (yield strength), die we dieper zullen verkennen.

Wat Is Vervormingsgrens (Yield Strength)?

Vervormingsgrens vertelt ingenieurs wanneer een materiaal overgaat van elastische vervorming naar plastische vervorming, waarbij de eerste iets is waar het terug moet borstelen en de tweede een punt is waarop het niet meer kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm. Het kan berekend worden via een specifieke formule, waar we straks op komen. Maar eerst is het belangrijk om te begrijpen hoe het eruitziet op een grafiek en welke andere punten er op een spannings-rek grafiek bestaan.

Hoe Hangt Vervormingsgrens Samen Met 3D-Printen?

Vervormingsgrens 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 geprint laag dan in de richting over de opgebouwde stapel van geprint lagen. De moleculaire bindingen tussen lagen zijn zwakker dan die binnen lagen, dus als excessieve kracht dwars op de lagen wordt toegepast, kunnen ze delamineren. Het oriënteren van een onderdeel om te profiteren van de betere binnen-laag sterkte kan de algehele vervormingsgrens van het onderdeel verhogen.

Meer informatie in onze volledige gids alles over 3D-printen.

Beïnvloedt Vervormingsgrens De Prestaties Van Een 3D-Geprint Materiaal?

Ja, de vervormingsgrens van een 3D-geprint materiaal heeft een grote impact op de prestaties. Een 3D-geprint onderdeel met onvoldoende vervormingsgrens kan plastisch vervormen onder normale dienstlasten in een toepassing. De plastische vervorming vermindert niet alleen de lastdraagende capaciteit van het onderdeel, maar verhoogt ook de kans op breuk.

Hoe De Spannings-Rek Curve Grafiek Van Vervormingsgrens Te Begrijpen?

Voor een visuele representatie van vervormingsgrens kunt u punten op een spannings-rek curve plaatsen – maar vervormingsgrens is niet het enige wat berekend en op deze grafiek kan worden getoond. Hieronder ziet u een voorbeeld van hoe het eruitziet, en we breken de andere kenmerken af die u zult opmerken.

Meer informatie in ons artikel over de spannings-rek curve.

Wat Zijn De Verschillende Manieren Om De Spannings-Rek Grafiek Van Vervormingsgrens Te Verklaren?

Het vervormingspunt is slechts één punt op een spannings-rek curve. Rondom dat punt liggen andere kenmerken die beschreven en gemeten kunnen worden vanuit een spannings-rek curve. Deze interessepunten en regio's worden in de onderstaande lijst uitgelegd:

1. Vervormingspunt (Yield Point)

Dit is het punt dat aangeeft wanneer plastische vervorming begint en fabrikanten en ingenieurs een idee geeft van hoe een materiaal zich zal houden onder trekkracht. Wanneer u het zelf plot, na het berekenen van de formule, zult u ontdekken dat het bestaat waar het lineaire deel van de spannings-rek curve eindigt en waar het niet-lineaire deel begint. Interessant genoeg zult u ook merken dat sommige materialen twee vervormingspunten hebben, zoals zacht staal.

2. Elastische Grens (Elastic Limit)

Kijkend naar dit punt vertelt u de maximale hoeveelheid rek die een materiaal net voordat het permanent vervormt, kan aan. Zodra de spanning afneemt, zal het terugborstelen naar zijn oorspronkelijke vorm, maar als u het verder duwt dan deze grens, zal vervorming optreden. Het is de laatste halte op de weg naar vervorming voordat het vervormingspunt verschijnt.

3. Proportionaliteitsgrens (Proportionality Limit)

U vindt dit punt aan het einde van het lineaire deel van de spannings-rek curve en het deelt het punt waarop spanning en rek niet meer direct evenredig aan elkaar zijn. Om dit getal te vinden, zou u Young's modulus gebruiken, ook bekend als de modulus van elasticiteit.

4. Ware Elastische Grens (True Elastic Limit)

Dit punt wordt niet vaak gebruikt, maar toont aan wanneer de kristallijne structuur van een materiaal begint te verschuiven onder spanning – specifiek de laagste hoeveelheid spanning waarop dit begint. De reden waarom het zelden getoond of overwogen wordt is omdat het een moeilijk te detecteren punt is.

5. Obere en Ondere Vervormingspunten (Upper and Lower Yield Points)

De obere vervormingsgrens toont wanneer het kristalrooster van het materiaal begint dislocaties in zijn structuur te zien, maar het wordt zwaar beïnvloed door zelfs de kleinste invloeden op rek en de testapparatuur die gebruikt wordt, dus het is niet volledig betrouwbaar voor ontwerp- en ingenieurskeuzes. Deondere vervormingsgrens is echter veel eenvoudiger te herhalen in tests en is de periode waarin Lüder-bandjes in een testsectie verschijnen, net voordat de rekverharding begint.

6. Offset Vervormingsspanning (Proof Stress)

Dit heet ook proof stress, en is de meest gangbare methode om de vervormingsgrens van een materiaal te beschrijven. U kunt het vinden door een lijn te trekken die parallel is aan het lineaire deel van de spannings-rek curve. Waar dit punt en de spannings-rek curve elkaar snijden, is de vervormingsgrens.

Wat Betekenen Nekvorming (Necking) En Breuk (Fracture) In Een Vervorminggrens-test?

Dit zijn geen punten op de curve, maar dingen die met een materiaal kunnen gebeuren tijdens testen op de vervormingsgrens. Nekvorming is een vorm van vervorming die optreedt voordat een breuk plaatsvindt op piek engineering-spanningsniveaus, en is meestal beperkt tot een specifiek deel van het materiaal. Dan treedt een breuk of scheuring op. Eenmaal nekvorming opgetreden is, daalt de spanning omdat het oppervlak van het monster is gedaald.

Wat Is Het Belang Van Vervormingsgrens?

Vervormingsgrens is belangrijk omdat het de hoogste spanning karakteriseert die een materiaal kan tolereren voordat permanente vervorming optreedt. De vervomingsspanning van een materiaal wordt vaak door ingenieurs gebruikt om de maximale toelaatbare last te bepalen die een ontworpen onderdeel of structuur kan weerstaan. Door de vervormingsgrens van een materiaal te kennen, kunnen ingenieurs veiliger en duurzamere onderdelen ontwerpen.

Wat Is De Formule Voor Vervormingsgrens?

Om vervormingsgrens te berekenen, kunt u vertrouwen op de formule die altijd gebruikt wordt voor het bepalen van spanning in het algemeen. U kunt zien hoe de formule eruitziet geschreven, hieronder.

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

De waarde wordt normaal uitgedrukt in Pascals (Pa), de SI-eenheid voor spanning, of in pond per vierkante inch (psi). Vervormingsgrens wordt meestal geschreven als σᵧ, wat de Griekse letter Sigma gebruikt voor engineering spanning en Y voor yield. U kunt het ook als Sᵧ tegenkomen.

Wat Is De Eenheid Voor Vervormingsgrens?

Vervormingsgrens wordt doorgaans uitgedrukt in Pascals (Pa), de SI-eenheid voor spanning, of in pond per vierkante inch (psi).

Wat Is Het Symbool Voor Vervormingsgrens?

Het symbool voor vervormingsgrens is σᵧ. De Griekse letter σ is het symbool voor engineering spanning, terwijl de subscript 'Y' 'yield' betekent. Soms wordt 'Sᵧ' ook gebruikt om vervormingsgrens aan te duiden.

Hoe Leest U Vervormingsgrens Van Een Spannings-Rek Grafiek?

Om een vervormingsgrensgrafiek (spannings-rek curve) te lezen, kies eerst een waarde van spanning op de Y-as. Tweede, teken een horizontale lijn die zich uitstrekt tussen het geselecteerde punt op de Y-as tot de lijn van de spannings-rek grafiek. Derde, markeer het snijpunt van de getekende lijn en de vervormingsgrensgrafiek. Vierde, teken een verticale lijn beginnend bij het gemarkeerde punt naar beneden naar de X-as. Het punt waar de verticale lijn de X-as snijdt is de rek die correspondeert met de geselecteerde spanning op de Y-as.

Wat Zijn Voorbeelden Van Vervormingsgrens

Het vergelijken van materialen geeft vaak het beste idee van hoe vervormingsgrens vertegenwoordigd wordt en wat typische waarden zijn – we hebben een handjevol voorbeelden hier:

1. Stalen: Het hangt af van hoe het staal gesmeed, gevormd en gecreëerd is, maar warmgewalzd A36 staal schuift rond een lage 220 MPa, en stalen die geölt gequenched of getemperd zijn, kunnen een hogere waarde hebben tot 1.570 MPa.
2. Roestvrije stalen: Het bereik voor roestvrije stalen kan beginnen rond 250 MPa voor een austenitisch roestvrij staal, terwijl een uitvalgehard roestvrij staal een vervormingsgrens kan hebben tot 1.000 MPa.
3. Aluminiumlegeringen: Deze neigen lager te liggen dan staal, maar hoger dan kunststof. Een 1100 graad aluminium heeft een gemiddelde vervormingsgrens van ongeveer 24 MPa, terwijl een 7075 aluminium er een heeft van ongeveer 483 MPa.
4. Kunststoffen: Afhankelijk van de kunststof waar u mee werkt, kunt u een vervormingsgrens van 4 MPa verwachten voor zoiets als plasticized PVC en 300 MPa van een koolstofvezel-gevulde polyamide.

Wat Voor Apparaat Wordt Gebruikt Om Vervormingsgrens Te Meten?

Een universele testmachine, ook wel een trektestmachine genoemd, wordt gebruikt om vervormingsgrens te meten. Deze machines voeren trektesten uit waarbij een continu toenemende trekkracht wordt toegepast op een testmonster normaal bij een constante reksnelheid. Naarmate de last wordt toegepast, worden de spanning en rek die door het testmonster worden ervaard, digitaal vastgelegd en gegrafieerd. Spanning wordt getoond op de Y-as, rek op de X-as. De vervormingsgrens wordt bepaald door een parallelle, offset lijn aan te tekenen bij 0,2% positieve rek vanaf het lineaire deel van de spannings-rek grafiek. De spanning op het snijpunt van de offset lijn en de spannings-rek grafiek is de vervormingsgrens van het materiaal.

Meer informatie in ons artikel over de trektestmachine.

Kat de Naoum
Kat de Naoum is schrijver, auteur, editor en content specialist uit het VK met 20+ jaar ervaring. Ze schrijft voor diverse productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was ze bijna 10 jaar paralegal, waarvan 7 in scheepsfinanciering. Ze heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven van Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum