Treksterkte, vloeigrens en afschuifsterkte: verschillen en toepassingsgids

Ingenieurs maken onbewust fouten in het productontwerp bij het bepalen en selecteren van de sterkte van het product. Soms gaan producten kapot door afschuifbreuk, terwijl de meeste aandacht uitgaat naar de treksterkte en de vloeigrens. Verschillende materialen in de productontwikkeling kunnen falen vanwege een ontoereikend ontwerp met betrekking tot verschillende sterkte-eigenschappen. Terwijl het overschrijden van de vloeigrens bijvoorbeeld kan leiden tot vervorming van een kunststof behuizing, kan een schroefdraadinzetstuk falen vanwege onvoldoende afschuifsterkte. Evenzo breken metalen beugels zodra ze hun treksterkte bereiken. Deze voorbeelden laten zien dat verschillende materialen verschillende soorten sterkte vertonen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp en de ontwikkeling van het product. Maar is er een duidelijk verschil tussen deze drie eigenschappen? Deze gids beschrijft elke eigenschap, laat zien hoe ze van elkaar verschillen en bespreekt de meting en het testen ervan.

Wat zijn treksterkte, vloeigrens en afschuifsterkte?

De meeste mensen zullen deze termen waarschijnlijk verkeerd interpreteren vanwege hun nauwe verband. Mensen die niet thuis zijn in de natuurkunde, de mechanica en de techniek denken soms zelfs dat het om hetzelfde gaat. Deze termen beschrijven echter verschillende faalmechanismen. Laten we elk begrip eens nader bekijken.

Wat is treksterkte?

Treksterkte is een van de mechanische eigenschappen die in industriële toepassingen niet te verwaarlozen zijn. Deze eigenschap heeft een cruciale invloed op de veiligheid en de prestaties van verschillende materialen die bij de vervaardiging van diverse producten worden gebruikt.

Deze eigenschap is terug te zien in alledaagse situaties. Zo kan een kraan bijvoorbeeld een zware last optillen met behulp van een dunne staalkabel zonder dat de kabel breekt. Dit komt doordat de kabel een zeer hoge treksterkte heeft. Stel dat de belasting de treksterkte van de staalkabel overschrijdt; dan zal de kabel breken, wat tot slachtoffers kan leiden.

Definitie en eenheden

De treksterkte wordt gedefinieerd als de maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voordat het breekt of scheurt. Deze wordt berekend door de maximale trekkracht te delen door de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van een proefstuk. Dit berust op het principe dat wanneer de spanning in een materiaal toeneemt, de bindingen tussen de atomen worden uitgerekt en uiteindelijk breken.

Een materiaal wordt elastisch wanneer er spanning op wordt uitgeoefend. Wanneer de spanning wordt weggenomen, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Als de spanning echter blijft bestaan, komt het materiaal in het plastische gebied terecht. In dit gebied ondergaat de interne atomaire of moleculaire structuur van het materiaal een permanente verschuiving (veroorzaakt door dislocatiebewegingen in kristallijne metalen of het ontwarren van moleculaire ketens in polymeren), waardoor het voor het materiaal onmogelijk wordt om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm ^[1].

De treksterkte wordt gemeten in megapascal (N/mm²). In de volgende tabel worden de overige gerelateerde eenheden weergegeven.

1 MPa ≈ 145 psi

1 Ksi = 6,895 MPa

Formule voor treksterkte

Treksterkte (S) wordt gegeven door;

S = F / A

Waarbij F de uitgeoefende trekkracht is in N of lbf. A is de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het proefstuk (mm², m² of in²). 

De maximale treksterkte die een materiaal tijdens belasting bereikt, wordt de maximale treksterkte (UTS) genoemd. Zodra de UTS is bereikt en overschreden, treedt er in het materiaal een versmalling op. Naarmate de belasting toeneemt, versnelt deze versmalling totdat het materiaal breekt. De UTS wordt berekend als:,

UTS=F_max/A₀

Waar F_max is de maximale kracht die het materiaal kan weerstaan voordat het bezwijkt, en A₀ is de oorspronkelijke dwarsdoorsnede vóór belasting.

Het meten van de treksterkte

Je kunt de treksterkte meten door trektests uit te voeren met een universele testmachine (UTM). Een UTM wordt ook wel een trektestmachine genoemd.

Het proces begint met het voorbereiden van een standaardproefstuk. Bij kunststoffen wordt het materiaal tot een ‘dog-bone’-proefstuk gegoten, terwijl voor metalen een cilindrisch proefstuk wordt gefreesd. Vóór het frezen wordt de oorspronkelijke dwarsdoorsnede A0 gemeten.

Na de voorbereiding wordt het proefstuk op de UTM geklemd. De machine trekt de proefstukken met een geregelde snelheid. Terwijl de machine het proefstuk blijft trekken, registreer je de gegevens, waaronder de kracht en de bijbehorende rek. U kunt het materiaalgedrag afleiden uit de door de machine gegenereerde spanning-rek-curve. De treksterkte (S) kan vervolgens worden berekend aan de hand van bovenstaande formule.

Wat is de vloeigrens?

De vloeigrens en de treksterkte zijn verwante begrippen. Bij ductiele materialen bereikt een materiaal zijn vloeigrens voordat de maximale treksterkte wordt bereikt. Broze materialen zullen echter doorgaans breken voordat er sprake is van noemenswaardige vloei.

De vloeigrens is de spanningsdrempel waarbij materialen overgaan van elastisch gedrag (omkeerbare vervorming) naar plastisch gedrag (blijvende vervorming). Deze wordt gemeten in megapascal (MPa). 

Neem bijvoorbeeld het geval waarin je langzaam aan beide uiteinden van de paperclip trekt. In het begin rekken de uiteinden iets uit. Als je stopt met trekken, keren de uiteinden terug naar hun oorspronkelijke positie. Als je echter harder blijft trekken en vervolgens de kracht wegneemt, keren de uiteinden niet meer terug naar hun oorspronkelijke positie. Op dat moment zeggen we dat de paperclip zijn vloeigrens heeft bereikt. Technisch gezien wordt gezegd dat de paperclip in deze toestand een blijvende vervorming heeft ondergaan zonder te breken.

Metingen van de vloeigrens

Voordat we ingaan op de manieren om de vloeigrens te meten, is het van essentieel belang om de afgeleide grootheden te begrijpen die bij de berekening ervan een rol spelen. Een van die grootheden is de spanning (σ). Dit is de kracht per oppervlakte-eenheid die op een materiaal wordt uitgeoefend. Deze wordt berekend als:,

σ = F/A,

Waarbij F de uitgeoefende kracht is en A de dwarsdoorsnede. De maximale spanning treedt op wanneer een maximale kracht wordt uitgeoefend op een zeer klein oppervlak.

De tweede term is de rek (ε). Dit is het vermogen van het materiaal om uit te rekken of samen te drukken ten opzichte van zijn oorspronkelijke afmetingen. Dit wordt uitgedrukt door:,

ε = ΔL/L₀,

 Waarbij ΔL de lengteverandering is en L₀ de beginlengte.

De Young-modulus (E) geeft aan hoe stijf een materiaal is. Een hoge E-waarde betekent dat het materiaal onder belasting nauwelijks vervormt, zoals staal in vergelijking met rubber. Deze wordt uitgedrukt als

E = σ/ε

Een materiaal zal zich volgens de wet van Hooke in een lineair spannings-rekverloop gedragen totdat het de vloeigrens bereikt, de exacte drempel waarbij de uitgeoefende spanning de interatomaire krachten die het kristalrooster van het materiaal in zijn elastische toestand houden, blijvend overwint ^[2].

Een materiaal wordt als stijf beschouwd als het weerstand biedt tegen vervorming. Dergelijke materialen hebben de hoogste Young-modulus. Dit betekent echter niet dat ze ook de hoogste vloeigrens hebben. Bij een goed technisch ontwerp moet altijd een evenwicht tussen deze eigenschappen worden gevonden. Voor een uitgebreidere toelichting over het verschil tussen stijfheid enerzijds en totale sterkte en hardheid anderzijds, kun je onze uitgebreide gids raadplegen op [Sterkte, stijfheid en hardheid].

Wat is afschuifsterkte?

Voordat we kunnen begrijpen wat afschuifsterkte is, is het belangrijk om te begrijpen wat een afschuifkracht is. Een afschuifkracht is de inwendige kracht die parallel aan een oppervlak werkt en die erop gericht is een deel van het oppervlak ten opzichte van een ander deel te laten verschuiven of vervormen.

Afschuifsterkte is het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan krachten die ervoor kunnen zorgen dat de interne structuur ertegenaan gaat schuiven. Wanneer er afschuifkrachten worden uitgeoefend, zal het materiaaloppervlak de neiging hebben om te schuiven en te vervormen. Afschuifsterkte is van essentieel belang in diverse technische toepassingen waarbij materialen worden blootgesteld aan zijdelingse krachten.

De afschuifsterkte speelt een cruciale rol bij het ontwerp en de analyse van constructies zoals balken, kolommen en verbindingen. Door te zorgen voor voldoende afschuifsterkte worden constructiefouten voorkomen en wordt de levensduur van bouwwerken verlengd.

Afschuifsterkte komt ook in alledaagse situaties voor. In een stalen brug worden bouten die constructie-elementen met elkaar verbinden voornamelijk blootgesteld aan afschuifkrachten. Als de belasting te groot wordt, kunnen de bouten afschuiven, waardoor de verbonden platen van elkaar losraken. Deze sterkte wordt ook toegepast bij het doorsnijden van bouten. De knipkracht wordt in tegengestelde richting uitgeoefend. Deze tegengestelde krachten zorgen ervoor dat het materiaal langs een vlak breekt in plaats van uit te rekken. Het vermogen van de bout om deze twee tegengestelde krachten te weerstaan, is de afschuifsterkte.

Meting en beproeving van de afschuifsterkte

Afschuifproeven worden veelvuldig toegepast in de materiaalkunde, de techniek en diverse andere sectoren om te beoordelen of een materiaal geschikt is voor specifieke toepassingen.

Bij een afschuifproef wordt een materiaalmonsters tussen twee parallelle oppervlakken geplaatst en wordt er kracht uitgeoefend totdat het materiaal een afschuifbreuk vertoont. De belangrijkste gemeten parameter is de schuifspanning, die wordt berekend door de uitgeoefende kracht te delen door de dwarsdoorsnede van het materiaal. Het resultaat kan inzicht geven in de duurzaamheid, sterkte en prestaties van het materiaal onder reële belastingsomstandigheden.

Wat zijn de gebruikelijke waarden voor treksterkte, vloeigrens en afschuifsterkte?

In de onderstaande tabel worden de treksterkte, vloeigrens en afschuifsterkte van verschillende materialen samengevat. Deze referentiewaarden zijn strikt afgeleid van gestandaardiseerde testprotocollen bij kamertemperatuur (zoals ASTM E8 voor metalen en ASTM D638 voor kunststoffen) ^[3].

Referentie

[1] Meyers, M. A., & Chawla, K. K. (2008). Mechanisch gedrag van materialen (2e druk). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] Pelleg, J. (2012). Mechanische eigenschappen van materialen. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). ASM Handbook, Deel 2: Eigenschappen en selectie: non-ferro legeringen en materialen voor speciale doeleinden. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627