Warum bricht ein Metall unter Spannung, während sich ein anderes lediglich biegt? Dieser Artikel befasst sich mit den entscheidenden Unterschieden zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit und erklärt, wie sich die beiden Eigenschaften auf die Leistungsfähigkeit von Materialien auswirken. Der Leser lernt die Faktoren kennen, die diese Festigkeiten beeinflussen, sowie deren praktische technische Auswirkungen, die für die Auswahl der richtigen Materialien für verschiedene Anwendungen wichtig sind.
Drei in der Technik häufig verwendete Fließkriterien sind:
(1) Proportionalitätsgrenze - Die höchste Spannung, die eine lineare Beziehung auf der Spannungs-Dehnungskurve aufrechterhält, international dargestellt als σp. Es wird davon ausgegangen, dass das Material nachgibt, wenn die Spannung σp überschreitet.
(2) Elastizitätsgrenze - Nach der Be- und Entlastung eines Probekörpers ist die Norm keine bleibende Restverformung. Die höchste Spannung, bei der sich das Material vollständig elastisch erholen kann, wird üblicherweise als σel international dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass das Material nachgibt, wenn die Spannung σel überschreitet.
(3) Streckgrenze - Der Standard ist eine bestimmte Restverformung, z. B. 0,2% Restverformungsspannung, die als Streckgrenze genommen wird, symbolisiert als σ0,2 oder σys.
Zu den intrinsischen Faktoren, die die Streckgrenze beeinflussen, gehören:
Bindung, Mikrostruktur, Struktur, atomare Eigenschaften. Der Vergleich der Streckgrenze von Metallen mit der von Keramiken und Polymeren verdeutlicht den grundlegenden Einfluss der Bindung.
Unter dem Gesichtspunkt der mikrostrukturellen Einflüsse können vier Verfestigungsmechanismen die Streckgrenze von Metallwerkstoffen beeinflussen:
(1) Stärkung der festen Lösung;
(2) Kaltverfestigung;
(3) Verstärkung des Niederschlags und Verstärkung der Ausbreitung;
(4) Korngrenzen- und Subkornverfestigung.
Ausscheidungshärtung und Kornfeinung sind die gebräuchlichsten Methoden zur Verbesserung der Streckgrenze von Industrielegierungen. Von diesen Verfestigungsmechanismen verringern die ersten drei die Plastizität und verbessern gleichzeitig die Festigkeit des Materials. Nur die Veredelung von Körnern und Teilkörnern kann sowohl die Festigkeit als auch die Plastizität erhöhen.
Zu den äußeren Faktoren, die die Streckgrenze beeinflussen, gehören:
Temperatur, Dehnungsrate, Spannungszustand. Mit abnehmender Temperatur und zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit steigt die Streckgrenze des Werkstoffs an. Kubisch-raumzentrierte Metalle reagieren besonders empfindlich auf Temperatur und Dehnungsgeschwindigkeit, was zu dem Phänomen der Tieftemperatursprödigkeit von Stahl führt.
Der Einfluss des Spannungszustandes ist ebenfalls von Bedeutung. Obwohl die Streckgrenze eine grundlegende Eigenschaft des Werkstoffs widerspiegelt, führen unterschiedliche Spannungszustände zu unterschiedlichen Streckgrenzen. Wenn wir uns auf die Streckgrenze eines Werkstoffs beziehen, meinen wir in der Regel seine Streckgrenze unter einseitiger Spannung.
Traditionelle Festigkeitsberechnungsmethoden verwenden die Streckgrenze als Standard für plastische Materialien und definieren die zulässige Spannung [σ]=σys/n, wobei der Sicherheitsfaktor n typischerweise 2 oder größer ist. Für spröde Materialien wird die Zugfestigkeit als Standard verwendet, die die zulässige Spannung [σ]=σb/n definiert, wobei der Sicherheitsfaktor n typischerweise 6 ist.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Befolgung traditioneller Festigkeitsauslegungsmethoden unweigerlich zu einer Überbetonung von Materialien mit hoher Streckgrenze führt. Mit zunehmender Streckgrenze nimmt jedoch die Bruchfestigkeit des Materials ab, wodurch das Risiko eines Sprödbruchs steigt.
Die Streckgrenze hat nicht nur eine unmittelbare Bedeutung für die Anwendung, sondern ist auch ein grober Maßstab für bestimmte mechanische Eigenschaften und die Prozessleistung von Werkstoffen in der Technik.
Eine Erhöhung der Streckgrenze eines Materials macht es zum Beispiel empfindlicher gegenüber Spannungskorrosion und Wasserstoffversprödung. Wenn die Streckgrenze eines Materials niedrig ist, hat es bessere Kaltumformung und Schweißeigenschaften. Daher ist die Streckgrenze ein unverzichtbarer Schlüsselindikator für Materialeigenschaften.
Nachdem ein Werkstoff zu strecken beginnt, führt eine fortgesetzte Verformung zur Kaltverfestigung.
Der Kaltverfestigungsindex n spiegelt die Kaltverfestigung eines Materials wider, nachdem es zu strecken beginnt und sich weiter verformt, und bestimmt die maximale Spannung, bei der eine Einschnürung auftritt. n bestimmt auch die maximale gleichmäßige Dehnung, die ein Material erzeugen kann, ein entscheidender Wert bei der Kaltverformung Formgebungsverfahren.
Für Arbeitsteile ist es außerdem erforderlich, dass die Werkstoffe bestimmte Kaltverfestigungseigenschaften aufweisen.
Andernfalls kommt es bei gelegentlicher Überlastung zu einer übermäßigen plastischen Verformung, die zu lokalen ungleichmäßigen Verformungen oder Brüchen führen kann.
Daher ist die Kaltverfestigungsfähigkeit eines Werkstoffs eine zuverlässige Garantie für die sichere Verwendung von Teilen.
Die Kaltverfestigung ist ein wesentliches Mittel zur Erhöhung der Materialfestigkeit. Nichtrostender Stahl hat einen großen Kaltverfestigungsindex n=0,5, was zu einem hohen gleichmäßigen Verformungsgrad führt.
Obwohl die Streckgrenze von rostfreiem Stahl nicht hoch ist, kann sie durch Kaltverformung erheblich verbessert werden. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt Draht kann nach isothermer Behandlung im Bleibad und nach dem Ziehen über 2000 MPa erreichen.
Herkömmliche Methoden der Dehnungsverstärkung können jedoch nur die Festigkeit erhöhen, während die Plastizität deutlich verringert wird. In einigen neue Materialien wird festgestellt, dass Veränderungen in der Mikrostruktur und ihrer Verteilung sowohl die Festigkeit als auch die Plastizität während der Verformung verbessern können.
Die Zugfestigkeit stellt die Bruchfestigkeit dar, wenn die Materialien keine Einschnürungen aufweisen. Wenn spröde Materialien in der Produktentwicklung verwendet werden, basiert ihre zulässige Spannung auf der Zugfestigkeit. Was bedeutet die Zugfestigkeit für allgemeine Kunststoffmaterialien?
Obwohl die Zugfestigkeit nur den maximalen gleichmäßigen plastischen Verformungswiderstand darstellt, zeigt sie die Grenzbelastbarkeit des Materials unter statischer Spannung an. Die äußere Belastung, die der Zugfestigkeit σb entspricht, ist die maximale Last, der die Probe standhalten kann.
Obwohl die Einschnürung immer weiter fortschreitet und die tatsächliche Spannung zunimmt, nimmt die äußere Belastung rasch ab.
Die Arbeit, die pro Volumeneinheit des Materials von der Verformung bis zum Bruch unter statischer Spannung verbraucht wird, wird als statische Zähigkeit bezeichnet. Streng genommen sollte sie die Fläche unter der wahren Spannungs-Dehnungskurve sein.
Der Einfachheit halber wird sie in der Technik näherungsweise wie folgt angegeben: Bei plastischen Materialien ist die statische Zähigkeit ein umfassender Indikator für Festigkeit und Plastizität.
Reine hochfeste Werkstoffe wie Federstahl haben keine hohe statische Zähigkeit, und kohlenstoffarmer Stahl mit guter Plastizität hat ebenfalls keine hohe statische Zähigkeit.
Die höchste statische Zähigkeit besitzt nur der abgeschreckte und hochwarmvergütete Baustahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (Legierung).
Die Härte ist keine unabhängige Grundeigenschaft von Metallen. Sie bezieht sich auf die Fähigkeit eines Metalls, Verformungen oder Brüchen an seiner Oberfläche innerhalb eines kleinen Volumens zu widerstehen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
DE 
EN 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT 
RU 