Nederlands   English
 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11 

dommekracht / jack

ALEX DEN OUDEN
EINDHOVEN - NEDERLAND

 1024×768
   (min.)
Oude techniek en werktuigbouw,
industriële geschiedenis en archeologie
Historical engineering and technology,
industrial archaeology and history
© AdO 1998 ... 2004

     


      Terug naar de index der artikelen ...                Back to the index of articles ...   

Een 20-tons Losenhausen trekbank
gebouwd in 1930

A 20-ton Losenhausen tensile testing machine
built in 1930


Trekken, drukken, buigen en hardheid


Hoe werkt het?

De hydraulische trekbank wordt gebruikt voor diverse soorten destructief materiaal­onderzoek. De figuur verduidelijkt het principe van een dergelijke bank. Het topblok met daarin de enkelwerkende cilinder is met twee kolommen aan het voetblok verbonden. De zuiger in deze cilinder draagt een juk waaraan de buigtafel met twee trekstangen is opgehangen.

Een oliepomp perst olie onder de zuiger, die daardoor omhoog wil bewegen. Een manometer bepaalt de oliedruk en daarmee de trekkracht.

schematische voorstelling van een hydraulische trekbank
schematic drawing of a hydraulic tensile testing machine

Tension, compression, bending and hardness


How does it work?

The hydraulic testing machine is used for various types of destructive testing. The diagram explicates its mode of operation. The upper block containing the single-acting cylinder is connected to the machine's bedplate with two sturdy pillars. The piston moving in the cylinder carries a yoke from which the bending table is hung with two drawbars.

An oil pump pumps oil under the piston, which tends to move upwards. A pressure gauge determines the oil pressure and with it, the tensile force.

  • Voor een trekproef wordt de proefstaaf ingeklemd in twee spankoppen: één aan de onderzijde van de buigtafel; de ander op het voetblok. De laatste is in hoogte verstelbaar opdat staven van verschillende lengte kunnen worden beproefd.
  • Voor een drukproef plaatst men het proefblok tussen de buigtafel en het topblok.
  • Voor een buigproef wordt de proefstaaf horizontaal neergelegd op twee steunen op de buigtafel. Aan het topblok wordt een hulpstuk bevestigd, met één of twee poten. In het eerste geval verricht men een driepuntsbuigproef; in het tweede geval een vierpuntsbuigproef.
  • Tenslotte kan met de trekbank ook een (Brinell) hardheidsmeting worden gedaan. Onder het topblok wordt een speciaal hulpstuk gemonteerd, met een Brinell-kogel. Het proefstuk wordt direct op de buigtafel gelegd en met de voorgeschreven kracht tegen de kogel aangetrokken. Men stelt de hardheid vast aan de hand van de diameter van de indrukking die de kogel achterlaat.
  • To perform a tension test the test bar is clamped between two jaws: one attached to the bottom of the bending table, the other to the bedplate. The latter jaws are adjustable in height so test bars of different length can be accomodated.
  • To perform a compression test the test block is placed between the bending table and the upper block.
  • To perform a bending test the test bar is laid horizontally on two supports on the bending table. An auxiliary part with one or two ridges is mounted in the upper block. With a single ridge, you do a three-point bending test; with two it is a four-point test.
  • Finally, the tensile testing machine can be used to measure (Brinell) hardness. A special auxilary part is placed under the upper block, carrying a Brinell-ball. The test piece is laid directly on the bending table and pulled against the ball with exactly the prescribed force. The hardness is determined by measuring the diameter of the ball impression in the workpiece.

De spankoppen

buigtafel met bovenste spankop
bending table with upper clamping jaws

The clamping jaws

onderste spankop, in hoogte verstelbaar
vertically adjustable lower clamping jaws
 Bovenkop Onderkop   Upper jaws Lower jaws 

Trekstaven

In de loop der tijd zijn de vorm en afmetingen van (trek) proefstaven gestandaardiseerd. Een normale trekstaaf voor taaie metalen (de meeste staalsoorten, non-ferro metalen) heeft een cilindrische, soms een rechthoekige dwars­door­snede. De uiteinden zijn cilindrisch, van grotere diameter en er wordt schroefdraad op gesneden om de staaf secuur in de spankoppen te spannen.

proefstaaf in begintoestand (cilindrisch) en eindtoestand (gerekt en ingesnoerd in de breukzone)
test bar at the beginning of the test (cylindrical) and at the end of the test (elongated and constricted in the rupture zone)

Tensile test bars

Over the years the shape and dimensions of tensile test bars have been standardised. The common test bar for ductile metals (most steels, non-ferrous metals) has a cylindrical, in some cases however a rectangular cross section. Its extremities are cylindrical, of larger diameter and provided with screw threads. In this way they can be securely fitted in the clamping jaws.

De rek wordt gemeten op het cilindrische middendeel van de staaf. In de dagelijkse praktijk is gebleken, dat de resultaten het best reproduceerbaar zijn bij constante verhouding tussen meetlengte en diameter. In Europa wordt gemeenlijk gemeten met proefstaven van L=10*D; een enkele keer met L=5*D. In Amerika gebruikt men liever korte staven met L=4*D.

The elongation is measured on the central cylindrical section of the bar. It emerged in daily practice that the test results are best reproducible if the ratio between measured length and bar diameter is constant. In Europe we normally use test bars of L=10*D; in some special cases also L=5*D. In America, much shorter bars are preferred, of only L=4*D.

Bij een bezoek aan het metaal lab. waar mijn trekbank oorspronkelijk stond, trof ik enkele rekken met nog onbewerkte proefstaven aan. Het bedrijf had een eigen gieterij en de betreffende staven zijn van nodulair-grafiet gietijzer. Ze werden met de gietstukken meegegoten, en waren bedoeld om de kwaliteit van het gietijzer te kunnen beoordelen. Boven op de rekken lagen enkele bewerkte (en beproefde - want gebroken) proef­staven. Ze zijn cilindrisch van vorm en vertonen maar weinig insnoering bij breuk, hetgeen karakteristiek is voor nodulair-grafiet gietijzer.

When visiting the metals laboratory originally housing my machine, I found several shelves with test bars not yet machined. The company concerned operated a foundry and these test bars were of speroidical graphite cast iron. They were cast along with the actual castings and were meant to be tested to evaluate the quality of the cast iron. On another shelf lay a few machined bars - these were actually tested, because they were broken. They are of cylindrical shape and show but little constriction at rupture. This is a characteristic of speroidical graphite cast iron.

proefstaven van nodulair-grafiet gietijzer
test bars in spheroidical graphite cast iron proefstaven van grijs gietijzer
test bars in grey cast iron

Er stond trouwens òòk een hele emmer vol typische grijs-gietijzer proefstaven. Deze hebben een totaal afwijkende vorm. Grijs gietijzer is bros en breekt kort, vrijwel zonder rek. Het profiel tussen de schroefdraden is hol gedraaid. Hiermee wordt verzekerd, dat de breuk ongeveer in het midden (het dunste deel van de staaf) zal plaats vinden. De verhouding L/D is vrijwel één. De korrelige, glinsterende breukvlakken zijn karakteristiek voor grijs gietijzer.

I also found a bucket filled to overflowing with typical (broken) grey cast iron test bars. These are of a totally different shape. Grey cast iron is brittle and breaks short, with hardly any elongation. The profile between the screw threads is hollow. This ensures that the rupture will occur roughly in the middle, as this is the thinnest part of the test bar. The ratio L/D is nearly 1:1. The face of the rupture is granular and shiny, which is characteristic for grey cast iron.


Theorie

Het trek/rek-diagram

Het gedrag van een proefstaaf wordt getoond in het zogenaamde trek/rek-diagram. Hierin wordt de trekkracht tegen de uitrekking afgezet. De rek komt op de x-as en de trekkracht op de y-as van het diagram.

Een klein experimentje vooraf. Klem een stukje koperdraad aan één kant in een bankschroef en trek met een tang stevig aan het andere eind. Je voelt de draad wat uitrekken. Laat hem los, en hij veert terug tot de beginlengte. Als je harder trekt, blijkt na loslaten de draad permanent wat langer te zijn geworden. Nog harder trekken en je ziet hoe de draad begint in te snoeren. Kort daarop breekt hij op de insnoering.

We hebben zojuist onze allereerste trekproef uitgevoerd!


Theory

The stress-strain diagram

The behaviour of a test bar is shown in the so-called stress-strain diagram. In this, the tensile force is plotted against the elongation. We put the elongation on the x-axis and the force on the y-axis of the diagram.

Let's start with a simple experiment. Clamp a short piece of soft copper wire in a vice and pull the free end with pincers. It is felt to stretch a bit. Release it, and it springs back to its original length. If we pull more strongly, after release the wire is permanently longer. Pull even stronger, and we find that the wire starts to constrict in the middle and then breaks at the constriction.

We have just now performed our very first tensile test!

trekkracht versus toename van lengte
tensile force versus increase in length

In bovenstaande figuur is de trekbelasting op de draad verticaal uitgezet; de rek horizontaal. In geval I, bij kleine trekkracht, rekt de draad een klein stukje uit (pijltje naar rechts) en wanneer we hem loslaten, veert hij weer terug tot de oorspronkelijke lengte (pijltje naar links). Dit heet "elastische" vervorming. Het metaal volgt de Wet van Hooke, die zegt dat de toename van de lengte recht evenredig is met de trekkracht. Het diagram vertoont dan een rechte lijn. In geval II trekken we al wat harder en rekt de draad meer, maar de vervorming is nog steeds elastisch. Bij loslaten komt alles weer bij het oude. De pijltjes naar rechts en links zijn even lang. Het diagram toont nog steeds een rechte lijn.

In the diagram above, the tensile load on the wire is plotted vertically; the elongation horizontally. In case I, with but a small tensile load, there will be a slight elongation (arrow pointing towards the right). The wire will regain its original length when the load is released (arrow pointing to the left). This is called "elastic deformation". The metal obeys Hooke's Law, which tells us that elongation is proportional to tensile force. The diagram shows a straight line. In case II the tensile load is increased, and the wire is further elongated, but the deformation still is elastic. When the load is released, the wire regains its original length. The arrows to the right and to the left are equal in length. The diagram still shows a straight line.

In geval III is sprake van zogenaamde "plastische" (blijvende) vervorming. De draad begint mee te geven. Na ontlasting blijkt hij blijvend (!) langer geworden te zijn met het stuk a. Nog weer wat harder trekken levert in geval IV een blijvende verlenging b. De Wet van Hooke is nu niet meer geldig, want de trek/rek-lijn is niet recht meer, maar geknikt.

In case III, we see the introduction of "plastic" (permanent) deformation. The wire starts to yield. After removal of the load it is found to be permanently longer by an amount a. If we pull the wire still further, as in case IV, the permanent elongation increases and becomes b. Hooke's law no longer holds, because the diagram shows a broken line.

In geval V trekken we zo hard aan de draad, dat deze breekt. Het elas­tische deel van de vervorming veert bij breuk terug. Leg de twee gebroken helften zorgvuldig aan elkaar en je ziet een plastische rek-bij-breuk van c. We constateren verder dat de diameter van de draad bij de breuk kleiner is geworden door insnoering (een plaatselijke afname van de dwars­door­snede). Deze initieert de breuk.

In case V we increase the tensile load, until the wire breaks. Upon breaking, the elastic part of the deformation springs back to zero. Carefully fit together the two broken parts, and you see the plastic elongation-at-breaking c. We further observe that the diameter of the wire at the rupture has decreased due to constriction (a local reduction of cross-section). This initiated the rupture.

Zo zien we dus, dat het trek/rek-diagram een elastische sectie heeft (0-1 in I; 0-2 in II) gevolgd door een plastische sectie (3-4 in III; 4a-5 in IV). Bij 6 begint de (dwars) insnoering en bij 7 treedt breuk op.

The stress-strain curve is therefore built up of an elastic section (0-1 in I; 0-2 in II) followed by a section of plastic deformation (3-4 in III; 4a-5 in IV). At 6 the (transverse) constriction starts and at 7 the wire breaks.

In bovenstaande diagrammen is verticaal de trekkracht uitgezet. Aan dikke proefstaven moet je natuurlijk harder trekken dan aan dunne, om dezelfde verlenging te verkrijgen. Het is verstandiger, de trekspanning uit te zetten, dit is de trekkracht per eenheid dwarsoppervlak. Horizontaal wordt in werkelijkheid niet de verlenging uitgezet, maar de rek, dit is de toename van de lengte gedeeld door de beginlengte. Een lange draad zal immers bij gelijke last meer in lengte toenemen dan een korte? Bij de berekening van de spanning gaan we uit van de begindoorsnede en houden géén rekening met de afname van de diameter door insnoering.

In the diagrams above, we vertically plot the tensile force. If the test bar is thicker, you naturally have to use a greater force to obtain the same elongation. It is more sensible to plot the tensile stress, i.e., the load per unit cross-sectional area. Horizontally, we actually do not plot the elongation, but the strain, i.e., the increase of length divided by the original length. Again sensible - under a given load (or stress) a long wire will elongate more than a short wire. In the calculation of stress, we use the original cross-section and do not take into account the reduction in diameter due to constriction.

Elasticiteitsgrens en 0,2-rekgrens

De elasticiteitsgrens is de hoogste spanning waarbij nog juist géén plastische vervorming voorkomt. In de praktijk is deze moeilijk te bepalen. Daarom meet men liever de spanning waarbij de blijvende rek 0,002% is. Dit vergt precisie-instrumenten. De 0,2-rekgrens is de spanning waarbij de plastische vervorming 0,2% bedraagt. Die waarde is veel makkelijker en sneller te bepalen dan de elasticiteitsgrens.

Elastic limit and 0.2 yield limit

The elastic limit is the maximum stress at which the material is not yet plastically deformed. Of course this value is difficult to determine. We prefer to measure the stress at which the permanent strain reaches 0.002% instead. This requires precision instruments. The 0.2 yield limit is the stress at which the material undergoes a plastic deformation of 0.2%. This limit is much more easily determined.

Sommige metalen, in het bijzonder ijzer en staal, vertonen bij een rek van circa 0,2% merkwaardig gedrag. Het metaal begint plotseling te "vloeien". Het blijft onder constante trek doorrekken, tot een plastische vervorming van 1-2% is bereikt.

Several metals and alloys, in particular iron and steel, show peculiar behaviour near the 0.2 strain value. The metal suddenly starts to yield, i.e., it gives more and more at the same stress value, until a plastic deformation of 1-2% is reached.

Koudversteviging

Wanneer een metaal eerst bij een gegeven spanning plastisch vervormd is, en vervolgens ontlast, kan het dezelfde spanning weerstaan zonder opnieuw (verder) plastisch te rekken. Met andere woorden, het metaal is sterker geworden door de eerste plastische vervorming. Men noemt dit "koud­verstevi­ging". Dit verschijnsel is karakteristiek voor metalen en legeringen en het beinvloedt hun bewerkbaarheid fors. Koud­verstevi­ging is niet voor alle metalen even groot. Vooral roestvaste staalplaat verstevigt sterk. Aluminium heeft er minder last van.

Strain hardening, also known as work hardening

When a metal has first been given a plastic elongation, then is relased and subsequently is loaded again, it can withstand the same stress without further plastic deformation. In other words, the metal became stronger as an effect of the first plastic deformation. This is called "strain or work hardening". This phenomenon is characteristic of metals and alloys and it fundamentally affects their workability. Not all metals show the same amount of work hardening. Stainless steel, in particular sheet, shows a strikingly large effect. Aluminium is less affected.

De elasticiteitsmodulus van Young

De elasticiteitsmodulus is gedefinieerd als de verhouding tussen trek­spanning (in kgf/mm² of kN/cm²) en de bijbehorende elastische rek (in %). Hij is een maat voor de stijfheid van het metaal. Sommige metalen zijn stijf (staal, bijvoorbeeld), andere slap (de elasticiteitsmodulus van aluminium is slechts 1/3 van die van staal).

Young's modulus of elasticity

The modulus of elasticity is defined as the ratio of tensile stress (in tons/in² or lb/in²) and the elastic strain (in %) at that stress level. It indicates the rigidity of the metal. Some metals are rigid (take steel, for instance), others are slack (the modulus of elasticity of aluminium is only 1/3 of that of steel).


Elasticiteitsmodulus in kgf/mm² Modulus of elasticity in kgf/mm²
Metaal Wolfraam
Tungsten
Molybdeen
Molybdenum
Staal
Steel
Koper
Copper
Zink
Zinc
Aluminium Magnesium Tin Lood
Lead
  Metal  
  43.000 35.000 21.000 12.000 10.000 7.200 4.400 4.200 1.800  

naar de top    naar de top to the top    to the top