Materialeigenschaften: Härte, Zähigkeit und Thermik

Mechanische Materialeigenschaften: Härte

Härte ist der Widerstand, den ein Material dem Eindringen oder dem Zerkratzen durch ein anderes Material entgegensetzt. Die Härte beruht auf den Kohäsionskräften zwischen den Atomen des Materials. Um die Härte zu vergleichen und zu messen, werden verschiedene Arten von Studien durchgeführt. Eine weite Verbreitung findet die Methode, bei der durch Anwendung der gleichen Kraft ein weicheres Material stärker verformt wird als das untersuchte Material.

Härteprüfung nach Brinell

Bei der Härteprüfung nach Brinell wird ein harter Eindringkörper (Hartmetall) verwendet, der kugelförmig auf dem zu prüfenden Probenmaterial platziert wird. Es wird eine Last für eine bestimmte Zeit auf die Kugel ausgeübt. Nach der Entlastung wird der Durchmesser des Eindrucks gemessen, der im Muster verblieben ist.

Zusammenhang zwischen Härte und Zugfestigkeit

Der Vorteil dieser Beziehung ermöglicht eine sehr genaue Annäherung an die Bruchfestigkeit, ohne dass ein kostspieliger Zugversuch durchgeführt werden muss.

Zähigkeit und der Resilience-Test

Die Zähigkeit wird als die Fähigkeit zur Schlagfestigkeit definiert; sie ist das Gegenstück zur Sprödigkeit (Zerbrechlichkeit). Zähe Materialien sind in der Lage, bei einem Aufprall viel Energie zu absorbieren und diese in plastische oder elastische Verformung umzuwandeln, um so einen Bruch zu vermeiden.

Der Resilience-Test

Resilience (Kerbschlagzähigkeit) ist die erforderliche Energie, um ein Material mit einem einzigen Schlag zu brechen. Je höher der Wert der Widerstandsfähigkeit, desto zäher ist das getestete Material.

Der Charpy-Pendelschlagversuch

Der Charpy-Test wird mit einer Maschine durchgeführt, die ein Pendel mit einer Masse von 22 kg an der Spitze enthält. Im vertikalen Wendepunkt des Pendels befindet sich der Amboss, an dem das Prüfstück fixiert ist. Zum Zeitpunkt der Studie wird das Pendel aus der Ausgangsposition von einer festen Höhe h abgeworfen. Sobald die Probe getroffen und gebrochen ist, setzt das Pendel seinen Weg fort. Die endgültige Höhe h', die das Pendel erreicht, wird niedriger ausfallen als die ursprüngliche Höhe, da Energie für das Brechen der Probe verbraucht wurde. Der Unterschied in der Höhe (h - h') ist direkt proportional zur Widerstandsfähigkeit.

Ermüdungsversuche und Lebensdauer

Belastungen, die ihre Anwendungsrichtung repetitiv oder zyklisch ändern, werden als Ermüdung bezeichnet. Der Ermüdungsversuch dient der Reproduktion der tatsächlichen Arbeitsbedingungen von Materialien. Die Ermüdungsfestigkeit ist der Wert der Belastungsamplitude, die den Bruch des Materials nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen bewirkt.

Die Lebensdauer ist die Anzahl der Arbeitszyklen, die ein Material bei einer bestimmten Amplitude der aufgebrachten Kraft widersteht, und wird durch N dargestellt. Wir unterscheiden zwei verschiedene Verhaltensweisen: Materialien, die früher oder später immer brechen, und solche, die nicht brechen, wenn die Belastungsamplitude unter einem bestimmten Wert liegt, unabhängig von der Anzahl der Zyklen.

Thermische Eigenschaften von Materialien

Die thermischen Eigenschaften zeigen das Verhalten der Materialien bei Wärmeeinwirkung.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Eigenschaft eines Materials, den Wärmefluss durch sich hindurch zu ermöglichen.

Wärmeausdehnung

Die thermische Expansion (Wärmeausdehnung) ist das Phänomen, bei dem die Größe eines Materials (insbesondere bei Metallen) zunimmt, wenn die Temperatur steigt. Die thermische Dilatation hängt ab von:

• Dem Material
• Dem Anstieg der Temperatur

Je nach den Abmessungen des Objekts werden verschiedene Arten der Expansion definiert:

• Lineare Dilatation (Länge)
• Oberflächliche Dilatation (Oberfläche)
• Kubische Dilatation (Volumen)

Technische Kennwerte und Formeln

Die Einheit der Spannung ist MPa. Weitere Kennwerte sind die gleichmäßige Dehnung und die Brinellhärte:

Brinellhärte: xx HBW (D / C / t)

• XX: Grad der Härte
• D: Eindringkörper-Durchmesser (mm)
• C: Lastfaktor (0,102 · F / Last in N)
• t: Belastungsdauer

Zähigkeit:

• K: Widerstandsfähigkeit (J/mm²)
• ec: Verbrauchte kinetische Energie zum Brechen (J)
• A: Querschnitt der Probe (mm²)