1998 LS 8.1 Festigkeit normal

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Festigkeit

Beanspruchungsarten

Festigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Widerstand gegen äußere Kräfte wie Druck, Zug, Torsion und Scher- und Biegefestigkeit zu leisten, ohne sich zu verformen oder zu brechen. Sie gibt an, wie viel Kraft ein Material aushalten kann.

Es werden drei Arten von Festigkeiten unterschieden:

1. Statische Festigkeit (langsam steigende Kraft)
2. Dynamische Festigkeit (schnell steigende / stoßende Kraft)
3. Dauerschwingfestigkeit (geringe langanhaltende wechselnde Kraft, z.B. Zug, Druck, Zug, Druck)

Wenn im Allgemeinen von Festigkeit gesprochen wird, ist die Zugfestigkeit gemeint. Diese wird mit einer Zugprüfmaschine (statische Festigkeit) ermittelt.

Zugprüfmaschine

Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine

Die Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird durch einen Zugversuch ermittelt (siehe Abbildung rechts). Dabei wird ein genormter Probekörper (Grün) aus einer Legierung durch die Zugprüfmaschine auseinander gezogen (gedehnt) bis der Probekörper reißt.

Die Zugkraft ist die Kraft, die den Körper auseinander zieht.

Die Kraft verteilt sich dabei auf den Durchmesser (Querschnitt) des Probekörpers. Diesen Vorgang nennt man auch Zugspannung.

Die Zugspannung ist die Zugkraft / Querschnittsfläche.

Bei steigender Zugspannung wird der Probekörper auseinander gezogen. Dies nennt man Dehnung.

Querschnittsfläche (Blau) senkrecht zur Zugkraft (Rot)

Die Dehnung ist die Längenänderung / Ursprungslänge.

Die Zugprüfmaschine gibt auf einem Computer ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus.

Hier ein kleines Video der Zugprüfung. Audio wird nicht benötigt.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm (siehe Abbildung rechts) ist das Ergebnis eines Zugversuchs. Auf der y-Achse wird die Zugspannung (Zugkraft/Fläche) angegeben. Umso höher (y-Achse) ein Punkt im Diagramm ist, umso mehr Zugspannung wirkt also. Auf der x-Achse wird die Dehnung ε (Längenänderung/Ursprungslänge) angegeben. Umso weiter rechts (x-Achse) ein Punkt auf dem Diagramm ist, umso höher ist die Dehnung.

Von links nach rechts (siehe Abbildung rechts) lässt sich das Spannungs-Dehnungs-Digramm dabei wie folgt beschreiben:

1: Probekörper in Ursprungslänge ohne Spannung und Dehnung.

2: Am Anfang verlängert sich der Probenkörper elastisch. Das heißt, er verlängert sich (weiter rechts im Diagramm) bei höherer Zugspannung (weiter oben im Diagramm). Da die Dehnung elastisch ist, geht der Stab bei Nachlassen der Kraft aber wieder in seine ursprüngliche Länge zurück.

Elastische Verformung bedeutet, dass ein Material nach einer Verformung in seine ursprüngliche Form und Größe zurückkehrt.

3: Im nächsten Bereich steigt die Zugkraft weiter (weiter nach oben im Diagramm) und dehnt sich (weiter nach rechts im Diagramm). In dieser Phase verformt sich der Probenkörper plastisch. Diese Verformung ist bleibend.

Plastische Verformung bedeutet, dass sich das Material dauerhaft verformt.

Bei 0,2 % plastischer Verformung, also fast direkt nach dem Start der plastischen Verformung, liegt die 0,2 % Dehngrenze. Man nimmt an, dass bis zu diesem Wert die Legierung belastet werden darf, ohne dass die Funktion beeinträchtigt wird.

Die 0,2 % Dehngrenze gibt an, bis zu welcher Zugspannung eine Legierung ohne Probleme belastet werden kann.

4. Wenn die Spannung im Diagramm den höchsten Punkt erreicht hat, fängt die Einschnürung an. Dabei wird der Probenkörper weiterhin plastisch verformt. Zusätzlich wird ein Bereich des Probenkörpers verengt. Das heißt, der Durchmesser (Querschnitt) wird kleiner (s. Abbildung rechts) und der Stab dehnt sich weiter aus.

Einschnürung bedeutet, dass der Probenkörper sich verengt. Man kann auch sagen, der Probenkörper wird im Querschnitt kleiner.

Der höchste Punkt ist auch der Punkt mit der höchsten Spannung. Er gibt die Zugfestigkeit einer Legierung an. Er ist wichtig, da viele Stoffe maximal bis zu diesem Punkt belastet werden dürfen. Viele spröde Werkstoffe wie Keramik brechen bei Erreichen der Zugfestigkeit. Verformbarere Werkstoffe wie CoCrMo erleben eine Einschnürung.

Zugfestigkeit ist die höchste Spannung, die ein Werkstoff aufnehmen kann, ohne sich einzuschnüren oder zu brechen.

5. Die Einschnürung geht so weit, bis der Probenkörper bricht. Diese Dehnung bis zum Bruch nennt man Bruchdehnung.

Die Bruchdehnung ist die Dehnung (abzüglich der elastischen Verformung), bei der die Probe zerbrochen ist. Sie ist am Ende der Kurve ablesbar. Bei dieser Dehnung zerbricht der Werkstoff!

Festigkeit beeinflussen

Um einen Bruch zu vermeiden, können wir folgendes tun:

1. größeren Durchmesser in Bezug auf die Krafteinwirkung
2. festeres Material wählen
3. Wärmebehandlung
4. Evtl. Krafteinwirkung beeinflussen durch geschicktes Design