Treksterkte is een belangrijke mechanische eigenschap die het maximale draagvermogen van een materiaal bij eenassige trekbelasting aangeeft. Deze eigenschap wordt op grote schaal toegepast bij materiaalkeuze, constructieontwerp, kwaliteitscontrole en het controleren van de prestaties van onderdelen. De treksterkte varieert aanzienlijk tussen verschillende materialen, en zelfs binnen dezelfde kwaliteit kunnen er verschillende waarden voorkomen als gevolg van de warmtebehandeling, de productvorm en de testomstandigheden.
In dit artikel worden de definitie, de berekeningsformule, de testmethode en de factoren die van invloed zijn op de treksterkte toegelicht. Daarnaast worden typische gegevens voor gangbare aluminiumlegeringen, staalsoorten, roestvrij staal en technische kunststoffen met elkaar vergeleken, en wordt de praktische betekenis ervan besproken in CNC-bewerking en materiaalkeuze.
Wat is treksterkte?
Treksterkte, ook bekend als ultieme treksterkte (UTS), is de maximale technische spanning die een materiaal bereikt tijdens een eenassige trektest. Deze wordt doorgaans weergegeven door Rm, terwijl in oudere bronnen ook gebruik kan worden gemaakt van σb. De gebruikelijke eenheden zijn MPa of N/mm².
Bij ductiele metalen komt de treksterkte doorgaans overeen met het einde van de gelijkmatige plastische vervorming en het begin van plaatselijke versmalling. Bij materialen met een lage ductiliteit ligt deze waarde over het algemeen dichter bij de trekbreuksterkte. De treksterkte geeft het maximale trekvermogen van een materiaal weer, maar kan niet rechtstreeks worden gebruikt als de veilige werkspanning van een onderdeel.
Formule en eenheden voor treksterkte
De treksterkte wordt berekend door de maximale belasting die tijdens een trektest is gemeten te delen door de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het proefstuk:
Rm = Fm / S₀
- Rm: treksterkte, MPa
- Van: maximale belasting gemeten tijdens de trektest, N
- S₀: oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het proefstuk, mm²
De treksterkte wordt doorgaans uitgedrukt in MPa of N/mm²:
1 MPa = 1 N/mm²
Bij de berekening moet de oorspronkelijke dwarsdoorsnede vóór de test worden gebruikt, en niet de dwarsdoorsnede ter hoogte van de versmalling na de breuk. Bij ductiele materialen wordt de maximale belasting doorgaans bereikt vóór de definitieve breuk.
Treksterkte op de spanning-rek-curve
Op een typische spanning-rekcurve doorloopt een materiaal de fasen van elastische vervorming, vloeigrens, gelijkmatige plastische vervorming, inkrimping en breuk. De hoogste technische spanning op de curve is de treksterkte van het materiaal.
Voordat de treksterkte wordt bereikt, zorgt vervormingsverharding ervoor dat het materiaal zijn draagvermogen blijft vergroten. Na dit punt concentreert de vervorming zich geleidelijk in een beperkt gebied, ontstaat er een versmalling en volgt breuk. Daarom valt bij ductiele materialen het treksterktepunt doorgaans niet samen met het uiteindelijke breekpunt.
Hoe wordt de treksterkte getest?
De treksterkte wordt doorgaans gemeten door middel van een gestandaardiseerde trektest. Het proefstuk wordt in een universele testmachine geplaatst en met een bepaalde snelheid aan een axiale trekbelasting onderworpen totdat breuk optreedt.
De standaardtestprocedure omvat:
Bereid het trekproefstuk voor en inspecteer het volgens de geldende norm;
Meet de breedte, dikte, diameter en oorspronkelijke meetlengte van het proefstuk;
Plaats het proefstuk in het midden van de klemmen van de testmachine;
Breng een axiale trekspanning aan met de opgegeven snelheid;
Leg de gegevens over belasting, verplaatsing en rek vast;
Bereken de treksterkte op basis van de maximale belasting.
Met een trektest kunnen doorgaans ook de elasticiteitsmodulus, het vloeigedrag, de rek na breuk en de doorsnedeverkleining worden bepaald. De afmetingen van het proefstuk, de bemonsteringsrichting, de belastingssnelheid, de uitlijning van de klemmen, oppervlaktefouten en de breuklocatie kunnen allemaal van invloed zijn op de testresultaten.
Factoren die van invloed zijn op de treksterkte
De treksterkte wordt beïnvloed door de materiaalsamenstelling, de microstructuur, de verwerkingsomstandigheden en de gebruiksomgeving. Dezelfde materiaalkwaliteit kan daarom onder verschillende omstandigheden duidelijk verschillende trekeigenschappen vertonen.
Chemische samenstelling: Legeringselementen kunnen de sterkte verhogen door middel van versterking via vaste oplossingen, versterking door neerslag of versterking door transformatie, terwijl ze tegelijkertijd ook van invloed zijn op de ductiliteit, de taaiheid en de corrosiebestendigheid.
Korrelgrootte en microstructuur: Korrelgrootte, fasesamenstelling en uniformiteit van de microstructuur beïnvloeden de beweging van dislocaties, vervormingsverharding en breukgedrag.
Warmtebehandeling: Blussen, ontlaten, oplossingsbehandeling, veroudering en gloeien beïnvloeden de microstructuur en de treksterkte van een materiaal.
Productieproces: Walsen, smeden, trekken, extrusie en koudvervorming kunnen de sterkte verhogen door korrelverfijning of vervormingsverharding.
Gebreken en oppervlaktekwaliteit: Scheuren, poriën, insluitsels, bramen en krasjes op het oppervlak zorgen voor spanningsconcentraties die tot voortijdig falen kunnen leiden.
Temperatuur en rek snelheid: Hoge temperaturen verminderen over het algemeen de treksterkte van de meeste metalen, terwijl de belastingssnelheid ook het vervormings- en breukgedrag beïnvloedt.
Corrosie en milieu: Putcorrosie, spanningscorrosiescheurtjes en waterstofverbrossing kunnen de effectieve doorsnede verkleinen of de scheurgroei versnellen.
Afmetingen en laadrichting: De materiaaldikte, de afmetingen van het proefstuk en de wals-, smeed- of extrusierichting kunnen allemaal van invloed zijn op de testresultaten.
Treksterkte van gangbare aluminiumlegeringen
De treksterkte van aluminiumlegeringen die vaak bij de verspanende bewerking worden gebruikt, wordt voornamelijk bepaald door de legeringsserie, de warmtebehandelingsconditie en de productvorm. 6061 is geschikt voor algemene CNC-onderdelen, 2011 is gericht op verspanen met hoge snelheid, terwijl 2024, 7050 en 7075 beter geschikt zijn voor hoogsterke constructieonderdelen.
| Aluminiumlegering | Typische treksterkte | Bewerkingseigenschappen | Veelvoorkomende toepassingen |
| 2011-T3 / T8 | Ongeveer 310-380 MPa | Levert korte spanen op, biedt een hoge snij-efficiëntie en is geschikt voor draaien op hoge snelheid | Onderdelen met schroefdraad, koppelingen, bussen en onderdelen voor automatische draaibanken |
| 2014-T6 | Ongeveer 450-500 MPa | Zeer sterke legering, geschikt voor precisiesnijden, maar met een beperkte corrosiebestendigheid | Lucht- en ruimtevaartonderdelen, zwaar uitgevoerde beugels en mechanische componenten met hoge sterkte |
| 2024-T3 / T351 | Ongeveer 430-485 MPa | Goede bewerkbaarheid, gecombineerd met een hoge sterkte en uitstekende vermoeiingsweerstand | Constructieonderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, verbindingsstukken en precisie-CNC-onderdelen |
| 5052-H32 | Ongeveer 210-260 MPa | Goede vervormbaarheid, maar relatief gemiddelde bewerkbaarheid | Behuizingen, panelen, tanks en corrosiebestendige constructieonderdelen |
| 5083-H111 / H116 | Ongeveer 275-330 MPa | Goede corrosiebestendigheid en geschikt voor het bewerken van plaatmateriaal en grote onderdelen | Scheepsonderdelen, bevestigingsplaten en grote mechanische onderdelen |
| 6061-T6 / T651 | Ongeveer 290-330 MPa | Constante snijprestaties, ruime beschikbaarheid en geschikt voor anodiseren | Beugels, bevestigingselementen, montageplaten, behuizingen en algemene CNC-onderdelen |
| 6063-T6 | Ongeveer 205-245 MPa | Meer geschikt voor geëxtrudeerde profielen, waarbij het snijden doorgaans als secundaire bewerking wordt uitgevoerd | Frames, geleiderails, warmteafvoerstructuren en profielonderdelen |
| 6082-T6 | Ongeveer 290-340 MPa | Een uitgebalanceerde combinatie van sterkte en bewerkbaarheid | Steunen, constructieplaten, verbindingsstukken en machineframes |
| 7050-T7451 | Ongeveer 470-525 MPa | Hoge sterkte en goede weerstand tegen spanningscorrosiescheurtjes | Draagende onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, liggers en zeer sterke precisieonderdelen |
| 7075-T6 / T651 | Ongeveer 540-570 MPa | Hoge sterkte en goede bewerkbaarheid, maar vervorming tijdens de bewerking moet worden beperkt | Lucht- en ruimtevaartonderdelen, drones, raceonderdelen en zeer sterke CNC-onderdelen |
2011 is geschikt voor zeer efficiënt draaien, 6061 biedt een bredere algemene toepasbaarheid, terwijl 2024, 7050 en 7075 voornamelijk worden gebruikt voor zeer sterke precisieonderdelen. De voordelen van 5052 en 6063 houden nauwer verband met vorm- en extrusietoepassingen.
De werkelijke treksterkte is afhankelijk van de toestand van het materiaal, de afmetingen en de vorm van het product. De uiteindelijke keuze moet daarom worden gebaseerd op de geldende norm en het materiaalcertificaat.
Treksterkte van gangbare koolstof- en gelegeerde staalsoorten
Staal bestrijkt een breed bereik aan sterktes, en zowel het koolstofgehalte, de legeringssamenstelling als de warmtebehandeling hebben hierop een aanzienlijke invloed. Koolstofarm staal is geschikt voor algemene constructies en bewerkte onderdelen, terwijl staal met een gemiddeld koolstofgehalte en gelegeerd staal beter geschikt zijn voor assen, tandwielen en onderdelen die aan hoge belastingen worden blootgesteld.
| Staalsoort | Typische treksterkte | Belangrijkste kenmerken | Veelvoorkomende toepassingen |
| ASTM A36 | Ongeveer 400-550 MPa | Goedkoop, met goede lasbaarheid en vervormbaarheid | Frames, voetstukken, beugels en constructieplaten |
| S235JR | Ongeveer 360-510 MPa | Universeel inzetbaar, koolstofarm constructiestaal dat gemakkelijk te lassen en te vervormen is | Staalconstructies, profielen, beugels en machinefunderingen |
| S355J2 | Ongeveer 470-630 MPa | Een uitgebalanceerde combinatie van sterkte, taaiheid en lasbaarheid | Draagconstructies, mechanische constructies en steunen |
| AISI 1018 | Ongeveer 440-640 MPa | Goede bewerkbaarheid, vervormbaarheid en lasbaarheid | Assen, pennen, bevestigingsmiddelen en bewerkte onderdelen |
| AISI 1020 | Ongeveer 380-550 MPa | Gemakkelijk te vormen, te lassen en oppervlaktehard te maken | Hulzen, pennen, constructiedelen en gecarbureerde onderdelen |
| AISI 1045 / C45 | Ongeveer 570-800 MPa | De eigenschappen kunnen worden verbeterd door middel van afschrikken en ontlaten of oppervlakteharding | Assen, tandwielen, pennen, rollen en koppelstukken |
| AISI 4140 / 42CrMo4 | Ongeveer 800-1.200 MPa | Hoge sterkte, taaiheid en vermoeiingsweerstand na afkoelen en ontlaten | Aandrijfassen, hoogwaardige bevestigingsmiddelen en onderdelen voor zwaar gebruik |
| AISI 4340 | Ongeveer 930–1.400 MPa | Hoge hardbaarheid en goede taaiheid, zelfs bij hoge sterktewaarden | Assen, tandwielen en zwaar belaste onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart |
| AISI 8620 | Ongeveer 530–850 MPa | Door carboneren kan een hard oppervlak en een taaie kern worden verkregen | Tandwielen, nokken, kettingwielen en transmissieonderdelen |
De gegevens in de tabel zijn geschikt voor een voorlopige vergelijking. Bij de definitieve materiaalkeuze moeten ook de warmtebehandelingsconditie, de afmetingen van het profiel, de leveringsconditie en het materiaalcertificaat worden gecontroleerd.
Treksterkte van gangbare roestvaste staalsoorten
De treksterkte van roestvrij staal hangt nauw samen met het type microstructuur, de koudvervorming en de warmtebehandelingsconditie. Bij austenitisch roestvrij staal ligt de nadruk meer op corrosiebestendigheid en ductiliteit, terwijl duplex- en precipitatiehardende soorten een hogere sterkte kunnen bereiken.
| Roestvrijstaalkwaliteit | Typische treksterkte | Belangrijkste kenmerken | Veelvoorkomende toepassingen |
| 303 roestvrij staal | Ongeveer 515-690 MPa | Goede bewerkbaarheid, met een iets lagere corrosiebestendigheid | Assen, schroefdraadonderdelen, koppelingen en precisie-CNC-onderdelen |
| 304 roestvrij staal | Ongeveer 520-720 MPa | Een uitgebalanceerde combinatie van corrosiebestendigheid, vervormbaarheid en lasbaarheid | Voedselverwerkingsapparatuur, behuizingen, bevestigingsmiddelen en mechanische onderdelen |
| 316 / 316L roestvrij staal | Ongeveer 485-690 MPa | Betere weerstand tegen putcorrosie en chloridehoudende omgevingen | Onderdelen voor medische, chemische, maritieme en vloeistofverwerkingsapparatuur |
| 2205 duplex roestvast staal | Ongeveer 660-860 MPa | Hoge sterkte en goede weerstand tegen putcorrosie en spanningscorrosiescheurtjes | Kleppen, flenzen, assen en onderdelen voor olie- en gasapparatuur |
| 17-4 PH roestvrij staal | Ongeveer 1.030–1.365 MPa | Hoge sterkte en goede corrosiebestendigheid na veroudering | Lucht- en ruimtevaart, energie, zeer sterke verbindingselementen en dragende asonderdelen |
Koudvervorming kan de sterkte van sommige austenitische roestvaste staalsoorten verhogen, terwijl de eigenschappen van 17-4 PH veranderen aanzienlijk naarmate het materiaal veroudert. Bij de materiaalkeuze moet rekening worden gehouden met de kwaliteit, de warmtebehandelingsconditie en de productvorm.
Treksterkte van gangbare technische kunststoffen
Technische kunststoffen hebben over het algemeen een lagere treksterkte dan metalen, maar bieden voordelen op het gebied van gewicht, corrosiebestendigheid, lage wrijving en elektrische isolatie. Hun eigenschappen worden sterk beïnvloed door temperatuur, vochtigheid, de vezelversterkingsgraad en de spuitgietrichting.
| Technische kunststof | Typische treksterkte | Belangrijkste kenmerken | Veelvoorkomende toepassingen |
| ABS | Ongeveer 35-50 MPa | Goede taaiheid en bewerkbaarheid | Behuizingen, prototypes en onderdelen voor consumentenelektronica |
| PA6 / PA66 nylon | Ongeveer 60-90 MPa | Slijtvast en sterk, maar vochtopnemend | Tandwielen, bussen, rollen en mechanische onderdelen |
| POM / Acetaal | Ongeveer 60-75 MPa | Lage wrijving, goede maatvastheid en goede bewerkbaarheid | Precisie-tandwielen, schuifelementen en koppelingen |
| Polycarbonaat, PC | Ongeveer 55-75 MPa | Uitstekende slagvastheid | Beschermhoezen, behuizingen voor apparatuur en veiligheidscomponenten |
| PEEK | Ongeveer 90-100 MPa | Goede hittebestendigheid, chemische bestendigheid en sterkte | Onderdelen voor apparatuur in de lucht- en ruimtevaart, de medische sector en de halfgeleiderindustrie |
| PTFE | Ongeveer 20-35 MPa | Lage wrijving en corrosiebestendig, maar met een lage stijfheid | Afdichtingen, doorvoeringen en isolerende onderdelen |
| UHMWPE | Ongeveer 20-40 MPa | Slijtvast, slagvast en zelfsmerend | Geleidingsrails, slijtplaten en transportbandonderdelen |
Technische kunststoffen moeten ook worden beoordeeld op kruip, langdurige belasting en gebruikstemperatuur. Hoewel vezelversterking de sterkte kan verbeteren, vergroot deze ook de richtingsafhankelijkheid en de slijtage van het gereedschap.
Hoe treksterkte van invloed is op CNC-bewerking
De treksterkte kan als referentie dienen om de belastbaarheid van het materiaal en de bewerkingsbelasting te beoordelen, maar is op zichzelf niet bepalend voor de CNC-bewerkbaarheid. Hardheid, taaiheid, de neiging tot koudverharding, warmtegeleidbaarheid en microstructuur hebben doorgaans een directere invloed.
Materiaalkeuze en offerte: Voor dragende onderdelen worden doorgaans zeer sterke materialen gebruikt, wat ook hogere kosten voor materiaal, keuring en bewerking met zich mee kan brengen.
Snijkracht en machinebelasting: Materialen met een hogere treksterkte vereisen vaak een grotere snijkracht, wat kan leiden tot een hogere belasting van de spil en meer trillingen tijdens de bewerking.
Gereedschapskeuze en slijtage: Voor materialen met een hoge sterkte zijn doorgaans stijvere gereedschappen, geschikte coatings en stabiele snijparameters nodig.
Voorbewerking en temperatuurregeling: Bij intensieve materiaalafname moeten de snijdiepte, de voedingssnelheid, de koeling en de spaanafvoer goed worden geregeld om warmteontwikkeling te voorkomen.
Vorming van spanen en bramen: De taaiheid en rekbaarheid van het materiaal zijn van invloed op de spaanafbraak en de vorming van bramen. Bij taaiere materialen is de kans groter dat er lange spanen en bramen ontstaan.
Prestaties in het laatste deel: De treksterkte kan worden gebruikt om het maximale draagvermogen van een onderdeel onder trekbelasting te beoordelen, maar er moet ook rekening worden gehouden met vermoeidheid, inkepingen en de veiligheidsfactor.
Vervorming tijdens de bewerking van dunwandige onderdelen en grote vlakke componenten hangt doorgaans meer samen met de elasticiteitsmodulus, de vloeigrens, de restspanning, de wanddikte en de opspanningsmethode dan met de treksterkte alleen.
Hoe treksterkte te gebruiken bij de materiaalkeuze
De treksterkte is geschikt om de maximale treksterkte van verschillende materialen te vergelijken, maar bij de daadwerkelijke keuze moet ook rekening worden gehouden met de belasting van het onderdeel, het gewicht, de stijfheid, de omgeving en de productie-eisen.
Vergelijk verschillende kwaliteiten en warmtebehandelingsvoorwaarden;
Bepaal of het materiaal aan de eisen inzake trekbelasting kan voldoen;
De verhouding tussen sterkte en gewicht en de waarde van gewichtsvermindering beoordelen;
Controleer of het materiaalcertificaat voldoet aan de eisen van de tekening;
Controleer of de vereiste eigenschappen na bewerking of warmtebehandeling behouden blijven;
Beoordeel dit in combinatie met de vloeigrens, rek, hardheid en vermoeiingsweerstand.
Bij CNC-onderdelen moet ook rekening worden gehouden met de bewerkbaarheid, de maatvastheid, de oppervlaktebehandeling en de materiaalkosten.
Veelgemaakte fouten bij het gebruik van gegevens over treksterkte
Gegevens over de treksterkte zijn alleen zinvol als de toestand van het materiaal en de testomstandigheden duidelijk zijn vastgelegd. Veelvoorkomende fouten zijn onder meer:
UTS beschouwen als toegestane spanning: De treksterkte is niet gelijk aan de veilige werkbelasting van een onderdeel. Bij het ontwerp moet ook rekening worden gehouden met de vloeigrens en de veiligheidsfactor.
De materiële toestand negeren: Eenzelfde staalsoort kan duidelijk verschillende sterktewaarden vertonen in gegloeide, gehard-en-getemperde, verouderde of koudverwerkte toestand.
Verschillende testgegevens rechtstreeks vergelijken: Gegevens die zijn verkregen uit verschillende monsters, referentiestandaarden, meetlengtes en testsnelheden zijn mogelijk niet rechtstreeks vergelijkbaar.
Dikte en richting buiten beschouwing laten: De materiaaldikte, de staafdiameter en de wals- of extrusierichting kunnen allemaal van invloed zijn op de trekeigenschappen.
Alleen de treksterkte gebruiken: Een hoge treksterkte betekent niet noodzakelijkerwijs dat een materiaal een betere slagvastheid, vermoeidheidsweerstand of langetermijnbelastbaarheid heeft.
De aanname dat een hoge UTS leidt tot slechte bewerkbaarheid: De bewerkingsmoeilijkheid wordt ook beïnvloed door de hardheid, de taaiheid, de verharding door vervorming en de eigenschappen van de spanen.
Veelgestelde vragen over treksterkte
Is een hogere treksterkte altijd beter?
Niet per se. Een hogere treksterkte kan het maximale draagvermogen vergroten, maar kan ook gepaard gaan met een lagere vervormbaarheid, hogere materiaalkosten of grotere bewerkingsmoeilijkheden. Bij de materiaalkeuze moet ook rekening worden gehouden met stijfheid, vermoeiingsgedrag, corrosiebestendigheid en de gebruiksomgeving.
Waarom vertoont hetzelfde materiaal verschillende waarden voor de treksterkte?
De treksterkte van dezelfde materiaalklasse wordt beïnvloed door de warmtebehandelingsomstandigheden, de mate van koudvervorming, de productafmetingen, de bemonsteringsrichting en het productieproces. Materiaalgegevens worden daarom doorgaans weergegeven als een bereik.
Kan een warmtebehandeling de treksterkte verbeteren?
Ja. Door afschrikken, ontlaten, oplosbehandeling en veroudering kan de treksterkte worden verbeterd door de microstructuur van het materiaal te veranderen. De toename in sterkte kan echter ook gepaard gaan met veranderingen in de ductiliteit, de taaiheid of de corrosiebestendigheid.
Heeft de materiaaldikte invloed op de treksterkte?
De treksterkte neemt niet simpelweg toe met de dikte, maar de dikte kan wel van invloed zijn op de afkoelsnelheid, de reactie op warmtebehandeling, de uniformiteit van de microstructuur en de verdeling van defecten, waardoor er voor producten met verschillende diktes verschillende specificatiewaarden gelden.
Conclusie
Treksterkte is een belangrijke parameter voor het vergelijken van materiaalprestaties, het uitvoeren van kwaliteitscontroles en het beoordelen van het uiteindelijke draagvermogen. Aluminiumlegeringen, staalsoorten, roestvrij staal en technische kunststoffen bestrijken verschillende sterktebereiken, maar bij de daadwerkelijke materiaalkeuze moet nog steeds rekening worden gehouden met de vloeigrens, de elasticiteitsmodulus, de ductiliteit, de vermoeiingsweerstand en de gebruiksomgeving.
Bij CNC-onderdelen zijn de materiaaleigenschappen ook van invloed op de snijbelasting, de gereedschapkeuze, de bewerkingskosten en de betrouwbaarheid van het afgewerkte onderdeel. Weldo Machining kan materiaaladviezen, DFM-analyses en Offertes voor CNC-bewerkingen op basis van onderdeeltekeningen, belastingsvereisten en toepassingsomgevingen, waardoor projecten een evenwicht kunnen vinden tussen prestaties, produceerbaarheid en kosten.
