Het decoderen van de spannings-rekcurve:essentiële inzichten voor materiaaltechniek

Zonder te weten hoe een materiaal reageert op spanning, of hoeveel ervan het kan verdragen, kunnen uw ontwikkelde producten en structuren falen en u achter uw hoofd krabben. Een goede manier om dit te voorkomen is via een spanning-rekcurvegrafiek die een visuele uitleg geeft van de eigenschappen van een materiaal en hoe het zal reageren op verschillende stressfactoren. Hoe de grafiek precies werkt en hoe je deze kunt lezen, leggen we in dit artikel uit.

Wat is stress?

Er zijn veel soorten spanning, maar als het gaat om het type dat ingenieurs proberen te ontdekken, is de eenvoudigste definitie de hoeveelheid kracht die wordt uitgeoefend op een dwarsdoorsnedeoppervlak. Als u dit weet, begrijpt u hoeveel een materiaal aankan voordat het breekt of breekt. De formule om dit uit te zoeken vindt u hieronder:

1. 𝜎 =stress
2. F =uitgeoefende kracht
3. A =dwarsdoorsnedeoppervlak

Zie ons artikel over stress voor meer informatie.

Wat is spanning?

Hoewel spanning en rek vaak samen worden besproken, is dit laatste de vervorming die een materiaal doormaakt in vergelijking met de oorspronkelijke afmetingen. Het is een ander berekenbaar referentiepunt dat essentieel is om ingenieurs te helpen een materiaal echt beter te leren kennen, en het beste idee te krijgen van wanneer een structuur of item gemaakt van een specifiek materiaal zal breken. Strain is een voorbeeld van een eenheidloze waarde (aangezien beide getallen in de formule lengtes zijn), en de formule ziet er als volgt uit:

1. ε =rek
2. Lf =uiteindelijke lengte nadat de vervorming heeft plaatsgevonden 
3. L0 =originele of beginlengte

Raadpleeg onze volledige gids over Strain voor meer informatie.

Wat is de spanning-rekcurve?

Nu gaan we kijken naar het meten van de spanning-rekcurve en welke soorten informatie daaruit kunnen worden gehaald. In de hedendaagse productie zijn er veel machines die al het meten voor u doen. Deze curven worden meestal gemaakt door een moderne trekbank, en de genoemde grafieken zijn gestandaardiseerd door ASTM International onder een paar categorieën:E8 voor metalen en D638 voor kunststoffen. Je kunt verwachten dat tests en metingen ervoor zorgen dat deze curve ongeveer zo gaat:

• U of de operator zorgt voor het verkrijgen of maken van testmateriaal met de juiste afmetingen.
• Vervolgens knipt of bevestigt u het testmateriaal aan de kaken van de testmachine.
• De machine zal dan een trekbelasting op het materiaal uitoefenen en die belasting verhogen totdat het materiaal breekt.
• Zodra dit gebeurt, noteert de machine de spannings- en rekwaarden op basis van deze metingen.

Waarom zijn spanning-rekcurves belangrijk?

De spanning-rekcurve is belangrijk omdat ingenieurs hierdoor snel een aantal van de meest kritische en fundamentele mechanische eigenschappen van welk materiaal dan ook kunnen bepalen. Eén enkele trekproef kan een spanning-rekgrafiek opleveren, waarmee de volgende eigenschappen van een materiaal kunnen worden verkregen:

1. Young-modulus
2. Vloeisterkte
3. Ultieme treksterkte
4. Ductiliteit
5. Poisson-ratio

Hoe worden spanning-rekcurven gegenereerd?

Spannings-rekcurven worden automatisch gegenereerd door moderne trekbanken. Deze machines monitoren en registreren voortdurend de kracht die op een proefstuk wordt uitgeoefend en de hoeveelheid vervorming die het ondervindt als gevolg van die belasting. De meest gebruikte testmethoden voor trekproeven en het maken van gestandaardiseerde spannings-rekcurven zijn die van ASTM International. ASTM E8 standaardiseert trekproeven voor metalen materialen, terwijl ASTM D638 trekproeven voor plastic materialen standaardiseert. De stappen voor het maken van een spanning-rekcurve worden in de onderstaande lijst beschreven:

1. Bereid het testmonster voor op de vereiste afmetingen.
2. Monteer het proefstuk in de klauwen van de trekbank.
3. Oefen een voortdurend toenemende trekbelasting uit op het preparaat totdat het breekt.
4. De trekbank registreert de spanning en rek die het proefstuk ondervindt, op basis van de kracht die wordt uitgeoefend door de krachtcel en de verplaatsing van de kaken die het proefstuk vasthouden.

Wat zijn de verschillende manieren om stress en spanning te meten?

Er zijn twee typen die je kunt vinden op de spanning-rekcurve:technische spanning en rek, en echte spanning en rek. 

1. Technische spanning en spanning

Het eerste type (engineering) wordt ook wel nominale spanning en rek genoemd en wordt berekend zonder rekening te houden met de zeer kleine details van plastische vervorming. Het is een gemakkelijke manier om waarden te verkrijgen via een standaard trekproef en de prestaties van een materiaal te begrijpen. De formule voor technische stress ziet er als volgt uit:

2. Echte stress en spanning

Dit is de werkelijke spannings- en rekwaarde die u krijgt als u rekening houdt met plastische vervorming. Het uitvoeren van berekeningen voor dit specifieke type spanning en rek is geweldig om de mechanische eigenschappen van een materiaal te leren kennen, en om dit te vinden moet je experimentele gegevens gebruiken over de momentane meetlengte, het dwarsdoorsnedeoppervlak en de uitgeoefende belasting. De formule voor het vinden van echte stress ziet er als volgt uit:

Wat zijn de stadia van de spanning-rekcurve?

Een spanning-rekdiagram bestaat uit drie fasen. In de eerste fase ondergaat het materiaal alleen elastische vervorming. Wanneer de uitgeoefende spanning wordt opgeheven, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke afmetingen. 

In de tweede fase vindt uniforme plastische vervorming plaats. Deze fase begint op het vloeipunt en gaat door zolang het materiaal kan blijven versterken door spanningsharding (hetzelfde proces dat plaatsvindt bij koudvervormen) bij elke nieuwe toename van de aangebrachte belasting. Uiteindelijk is het vermogen van het materiaal voor stabiele plastische vervorming uitgeput. De hoeveelheid plastic spanning die tijdens deze fase kan worden getolereerd, vertelt ons veel over de relatieve brosheid of ductiliteit van het materiaal.

De laatste fase van een trekproef wordt 'insnoering' genoemd. Deze fase vindt plaats nadat de ultieme trekspanning van het materiaal is bereikt en er geen verdere vervormingsharding meer mogelijk is. In plaats van een voortdurende, stabiele vervorming vormt zich ergens in de dwarsdoorsnede van het proefstuk een gebied met plaatselijke vervorming. De overmatige trekspanningen verminderen de afmetingen van het materiaal die loodrecht op de uitgeoefende kracht staan, wat een aanzienlijke verkleining van het oppervlak veroorzaakt. Hierdoor heeft het materiaal de vorm van een “nek”. Zodra het insnoeren begint, neemt de technische spanning van het materiaal af, terwijl de werkelijke spanning blijft toenemen.  Het materiaal breekt kort nadat het insnoeren begint.

Hoe lees je een stress-rekgrafiek?

Hier is een korte handleiding voor het lezen van een van deze grafieken:

1. Kies een spanningswaarde op de Y-as.
2. Trek een horizontale lijn vanaf de Y-as totdat deze de lijn van de spanning-rekcurve snijdt. Zet op dat punt een punt. 
3. Trek een verticale lijn vanaf het snijpunt naar de X-as. Samen moeten deze lijnen een hoek van 90 graden vormen.
4. De spanningswaarde die u in stap één heeft gekozen, toont de spanning die overeenkomt met de vervorming (of rek) die op dat punt met het materiaal plaatsvindt. 

Wat zijn de verschillende gebieden van de spanning-rekcurvegrafiek?

Als je eenmaal een grafiek hebt die de spanning-rekcurve weergeeft, is het de moeite waard om de regio's, fasen en informatie te begrijpen die je daaruit kunt ontleden. De drie fasen zijn elastische vervorming, uniforme vervorming en insnoering. Er is sprake van elastische vervorming wanneer een materiaal spanning ervaart, maar nog steeds kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke afmetingen. Uniforme vervorming vindt plaats zolang een materiaal versterking door vervormingsharding aankan, wat een teken is van zijn broosheid of ductiliteit. Insnoering is wanneer de ultieme treksterkte is bereikt en rekverharding niet meer mogelijk is. Gelokaliseerde vervorming zal ergens in de dwarsdoorsnede van het materiaal optreden, de afmetingen nemen af terwijl de spanning toeneemt, en dan is het voorbij het point of no return en vervormt of breekt permanent.

Nu u de fasen kent, kunt u de regio's begrijpen en vijf van de belangrijkste punten in de grafiek uitkiezen, die we hieronder kort hebben beschreven:

1. Proportionele limiet

Het eindpunt van het lineaire gedeelte van de spanning-rekcurve waaruit de Young-modulus kan worden afgeleid door de helling te berekenen.

Zie ons artikel over proportionele limieten voor meer informatie.

2. Elasticiteitslimiet

Het eindpunt voor elastische vervorming, dat vervolgens wordt overgenomen door plastische vervorming (bij het meten van metalen is dit moeilijk te onderscheiden van de elastische limiet).

Zie ons artikel over de elastische limiet voor meer informatie.

3. Opbrengstpunt

Hetzelfde als de elastische limiet, maar berekenbaar, dus veel betrouwbaarder voor ingenieurs. Om dit uit te werken, verplaatst u het lineaire gedeelte van de curve met +0,2% langs de horizontale as. Vervolgens vind je het snijpunt tussen de offsetlijn en de oorspronkelijke spanning-rekcurve, en heb je de vloeigrens. 

Raadpleeg onze volledige gids over het vloeigrens

4. Ultieme stresspunt

De hoogste hoeveelheid spanning op de spanning-rek-curve, waarna insnoering begint. Het is ook belangrijk op te merken dat, hoewel dit het hoogste punt in de grafiek is, het werkelijke hoogste punt precies plaatsvindt wanneer het materiaal breekt. 

5. Breuk of breekpunt

Zoals de naam al zegt, is dit het punt op de curve waar je materiaal zo sterk is vervormd dat het uiteindelijk is gebroken of gebroken.

Raadpleeg onze volledige gids over breuken of breekpunten voor meer informatie.

Hoe wordt een spanning-rekcurve gemaakt?

Een spanning-rekcurve wordt gemaakt door een trekproef uit te voeren met behulp van een universele testmachine. De testmachine registreert automatisch de gegevens om een ​​spanning-rekcurve te produceren naarmate de belasting toeneemt en het monster vervormt. 

Hoe worden spanning-rekcurven gebruikt?

De spanning-rekgrafiek wordt gebruikt om verschillende mechanische eigenschappen van een materiaal te bepalen, waaronder de elastische modulus, de Poisson-verhouding, de vloeispanning en de ultieme treksterkte. Deze eigenschappen helpen ingenieurs materialen te selecteren voor toepassingen waarbij draagvermogen van cruciaal belang is.

Wat is de spanning-rekcurve van een nodulair materiaal? 

De technische spanning-rekcurve voor een ductiel materiaal wordt gekenmerkt door een stijgende rechte lijn totdat het vloeigrens wordt bereikt. Na het vloeipunt neemt de functie van spanning en rek niet-lineair toe en piekt wanneer de ultieme treksterkte wordt bereikt. Daarna neemt de technische spanning niet-lineair af naarmate de spanning blijft toenemen. Uiteindelijk, zodra de spanning van het materiaal zo groot is geworden, breekt het materiaal.

Raadpleeg onze volledige gids over ductiliteit voor meer informatie.

Wat is de spanning-rekcurve van een bros materiaal?

De spanning-rekcurve van een bros materiaal is een steil hellende lijn die laat zien dat de spanning snel toeneemt met weinig spanning. In tegenstelling tot ductiele materialen vertoont de spanning-rekcurve voor een bros materiaal weinig plastische vervorming nadat de vloeispanning (vloeigrens) is bereikt. Het materiaal breekt kort na de vloeispanning. 

Raadpleeg onze volledige gids over broosheid voor meer informatie.

Wat is het verschil tussen technische spanning en echte spanning?

De verschillen tussen technische spanning-rek en echte spanning-rek worden hieronder opgesomd: 

1. Technische spanning-rek houdt geen rekening met de vervorming van het materiaal, terwijl echte spanning-rek dat wel doet.
2. Technische rek is de verhouding tussen de lengteverandering en de oorspronkelijke lengte, terwijl een echte rek de natuurlijke logaritme is van de momentane lengte ten opzichte van de oorspronkelijke lengte.
3. Technische spanning-rek is ideaal voor het bepalen van materiaalprestaties, terwijl echte spanning-rek ideaal is voor het bepalen van materiaaleigenschappen.

Wat is het verschil tussen stress en spanning?

De verschillen tussen spanning en rek worden hieronder opgesomd:

1. Spanning is de kracht per oppervlakte-eenheid, terwijl rek een variatie is in de lengte van een afmeting over de oorspronkelijke lengte van de afmeting.
2. Stress heeft eenheden van Pa of psi, terwijl een spanning eenheidloos is.
3. Het symbool voor stress is 𝛔, terwijl het symbool voor spanning 𝞊 is.
4. Stress is nodig om spanning te veroorzaken.
5. Stress kan niet direct worden gemeten en wordt berekend via wiskundige relaties, terwijl een spanning direct kan worden gemeten.

Raadpleeg onze volledige gids over stress versus spanning voor meer informatie.

Hoe Xometrie kan helpen

Wij bij Xometry werken met veel verschillende materialen die belangrijk zijn voor ingenieurs en fabrikanten en kunnen gratis offertes aanbieden voor alles, van CNC-bewerking tot 3D-printen en plaatlasersnijden.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

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