Wir sollten wahrscheinlich damit beginnen, dass die Liste der mechanischen Eigenschaften ziemlich lang ist. In den Beschreibungen wird gezeigt, dass einige wichtiger und häufiger sind als andere. Daher betrachten wir das Thema aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht. Um Metallarten unterscheiden zu können und eine fundierte Entscheidung darüber zu treffen, welche Materialien für welchen Zweck verwendet werden, müssen einige Grundlagen bekannt sein.
 

Materialspannung und Verformung

Zuerst müssen wir einige der physikalischen Konzepte hinter den mechanischen Eigenschaften erklären. Hauptsache Druck. Sie gibt an, wie viel Kraft auf eine Fläche wirkt. Im Maschinenbau wird sie hauptsächlich in MPa oder N/mm2 ausgedrückt. Die Formel lautet:

σ=F/A, wobei F die Kraft (N) und A die Fläche (mm2) ist.

Ein weiterer wichtiger Begriff ist Stress. Die Verformung hat keine Einheit, da sie ein Längenverhältnis ist. Sie wird wie folgt berechnet:

ε=(l-l0)/l0, wobei l0 die Start- oder Anfangslänge (mm) und l die gestreckte Länge (mm) ist.

 

Elastizitätsmodul

Aus diesen beiden Konzepten kommen wir zu unseren ersten mechanischen Eigenschaften von Materialien– Steifigkeit und Elastizität als Gegensätze. Dies ist ein wichtiger Faktor für Ingenieure bei der Lösung physikalischer Probleme (Eignung von Materialien für eine bestimmte Anwendung).

 

Das feste Material lässt sich nicht leicht komprimieren oder dehnen

Die Steifigkeit wird als Elastizitätsmodul, auch als Elastizitätsmodul bekannt, ausgedrückt. Als eine der primären mechanischen Eigenschaften von Materialien definiert sie das Verhältnis zwischen Spannung und Verformung – je höher ihr Wert, desto steifer das Material.

Das bedeutet, dass die gleiche Belastung zwei Teile gleicher Größe unterschiedlich verformen würde, wenn sie unterschiedliche Elastizitätsmoduln haben. Gleichzeitig bedeutet ein kleinerer Wert, dass das Material elastischer ist.

Formel für den Elastizitätsmodul:

E=σ/ε (MPa)

 

Ertragsstärke

Die Streckgrenze ist der in technischen Berechnungen am häufigsten verwendete Wert. Es gibt dem Material den Spannungswert, dem es vor der plastischen Verformung standhalten kann. Dieser Ort wird als Fließpunkt bezeichnet. Davor nimmt das Material beim Anheben der Last seine ursprüngliche Form wieder an. Nach Überschreiten der Streckgrenze ist die Verformung dauerhaft.

 

Spannungs-Dehnungskurve

Nicht umsonst ist die Streckgrenze der wichtigste Faktor im Maschinenbau. Wie aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve ersichtlich ist, ist der Schaden noch nicht katastrophal, wenn die Spannung die Streckgrenze überschreitet. Dies hinterlässt ein “Polster”, bevor die Struktur vollständig bis zur Belastungsgrenze versagt.

 

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit oder einfach nur die Zugfestigkeit ist der nächste Schritt von der Streckgrenze. Dieser Wert gibt die maximale Belastung an, der das Material standhalten kann, bevor es bricht.

Bei der Auswahl eines geeigneten Materials zur Aufnahme bekannter Kräfte können zwei Materialien mit ähnlicher Streckgrenze unterschiedliche Zugfestigkeiten aufweisen. Eine höhere Zugfestigkeit kann helfen, Unfälle zu vermeiden, wenn unvorhergesehene Kräfte wirken.

 

Plastizität

Plastizität ist eine mechanische Eigenschaft eines Materials, die die Fähigkeit zeigt, sich unter Belastung zu verformen, ohne zu brechen, und die verformte Form nach dem Heben einer Last beibehält. Metalle mit höherer Plastizität lassen sich besser formen. Dies ist beim Biegen von Metall sichtbar.

Zwei verwandte mechanische Eigenschaften von Materialien sind Duktilität und Biegbarkeit. Duktilität hat eine ziemlich ähnliche Beschreibung wie Plastizität – es ist die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, bevor es bricht. Sie wird als Prozentsatz der Dehnung oder als Prozentsatz der Flächenreduzierung ausgedrückt. Duktilität ist im Grunde die Eigenschaft, die Sie zum Beispiel beim Ziehen dünner Metalldrähte benötigen. Ein gutes Beispiel für ein solches duktiles Material ist Kupfer. Damit lassen sich Saiten herstellen.

Die Biegbarkeit ist per Definition ebenfalls ähnlich. Aber es charakterisiert tatsächlich die Eignung des Materials für eine Druckverformung. Grundsätzlich eignet sich ein Metall mit guter Duktilität zur Herstellung von Metallplatten oder -blechen durch Walzen oder Hämmern.

 

Zähigkeit

Zähigkeit ist eine Kombination aus Festigkeit und Plastizität. Das robuste Material hält starken Stößen stand, ohne zu reißen. Zähigkeit wird oft als die Fähigkeit eines Materials definiert, Energie zu absorbieren, ohne zu reißen.

Wichtig bei solchen Maschinen ist die Zähigkeit des Materials

Ein Beispiel für die nötige Härte sind Lader im Steinbruch. Das Werfen riesiger Steine ​​in Eimer führt zu Verformungen, nicht zu Rissen, wenn das Material hart ist.

 

Härte

Ein weiteres wichtiges Attribut für ein technisches Material. Hohe Härtewerte zeigen, dass das Material lokalen Belastungen standhält. Einfach gesagt, ein hartes Material lässt sich nicht leicht abkratzen oder hinterlässt bleibende Spuren (plastische Verformung). Dies ist besonders wichtig, wenn starke Verschleißprozesse stattfinden. Unter solchen Umständen sind harte Materialien geeignet. Härte und Zähigkeit sind zwei Qualitäten, die die Haltbarkeit ausmachen. Die Härte wird durch Kratzen, Rückprall oder Eindruck gemessen. Die gebräuchlichste Art, die Härte zu beschreiben, ist die Eindruckhärte. Je nach Material gibt es verschiedene Möglichkeiten, diese Tests durchzuführen. Jede ergibt eine andere Härteeinheit – Brinell, Vickers oder Rockwell. Wenn Sie 2 Materialien vergleichen möchten, die Härtewerte in unterschiedlichen Systemen haben, müssen Sie diese zunächst auf den gleichen Typ (z. B. Vickers) umrechnen. Sprödigkeit

Sprödigkeit ist meist eine eher unerwünschte Eigenschaft von Werkstoffen im Maschinenbau. Das bedeutet, dass das Material ohne merkliche plastische Verformung bricht. Ein Indikator für die Sprödigkeit eines Materials ist das Knackgeräusch, das beim Brechen entsteht. Zerbrechliche Materialien hinterlassen Bruchkanten, die erkennbar zueinander gehören. Wenn wir an Sprödigkeit denken, kann dies zwar mit geringer Festigkeit in Verbindung gebracht werden, in Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall. Beides schließt sich nicht aus. Ein starkes Material kann dennoch spröde sein. Ein Beispiel hierfür ist Keramik. Gusseisen ist ein Beispiel für ein sprödes Metall. Ermüdungsfestigkeit Ermüdungsprüfung von Aluminiumproben Die Ermüdungsfestigkeit oder Ermüdungsgrenze drückt die Fähigkeit des Materials aus, zyklischen Belastungen standzuhalten. Bei Eisenlegierungen ist der Beständigkeit des Metalls eine klare Grenze gesetzt. Falls die Spannung unter dem Grenzwert liegt (entsprechend der Anzahl der Zyklen), besteht keine Bruchgefahr. Dies ist eine wichtige Materialeigenschaft, die bei der Konstruktion von Achsen berücksichtigt werden sollte. Die Richtung der Kraft ändert sich ständig mit der Drehung der Welle, was bedeutet, dass die Beanspruchung zyklisch ist. Bei anderen Metallen für Metallverarbeitung, wie Aluminium und Kupfer, gibt es keine klare Grenze der Widerstandsfähigkeit bei zyklischer Beanspruchung. Sie neigen noch nach einer gewissen Biegewechselbeanspruchung zum Reißen. Für solche Materialien gibt es einen anderen ähnlichen messbaren Wert – die Haltbarkeit. Neben der Ermüdungsfestigkeit hat das Material eine unendliche Lebensdauer, wenn der Spannungswert unterhalb der Ermüdungsgrenze liegt. Bei der Haltbarkeit erhält man einen Wert, unter dem das Material eine bestimmte Anzahl von Zyklen aushalten kann.

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