Materialien, Prozesse und mechanische Eigenschaften im Industriedesign

Materialien industrieller Prozesse

Materialien und Energie: Zwei Elemente sind im Prozess der industriellen Produktion wichtig.

Kriterien für die Auswahl der Materialien

Zu berücksichtigen sind: Eigenschaften, ästhetische Qualitäten, Herstellungskosten, Verfügbarkeit und Umweltauswirkungen.

Mechanische Eigenschaften

Diese Eigenschaften beschreiben das Verhalten eines Materials bei der Einwirkung externer Kräfte. Äußere Kräfte sind in der Regel wesentlich größer als die inneren Kohäsionskräfte. Ein Material ist widerstandsfähig, solange es nicht stärker belastet wird als die innere Kohäsion; wird diese überschritten, verformt sich das Material oder bricht.

Die Prüfung dieser Eigenschaften erfolgt im Labor durch standardisierte Tests.

Dehnung und Einheit

Die Dehnung beschreibt die Beziehung zwischen der ursprünglichen Länge und der Längenänderung.

Mechanische Festigkeit und Prüfung

Die mechanische Festigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, einer Beanspruchung standzuhalten, ohne sich zu verformen oder zu brechen.

• Zug (Traktion): Dehnung
• Druck (Kompression): Quetschen
• Biegung: Verbiegen
• Torsion: Verdrehen
• Scherung (Abscheren): Schneiden

Zug- und Druckbeanspruchung sind typische Grundbelastungen:

• Zug: hoher Querschnitt
• Druck: hoher Querschnitt, geringe Länge
• Biegung: hohe Querschnittshöhe, große Tiefe
• Torsion: hoher Querschnitt
• Scherung: hoher Querschnitt

Verformung von Materialien

Man unterscheidet zwei Arten der Verformung:

• Elastische Verformung: temporär, das Material kehrt in seine Ausgangsform zurück.
• Bleibende (plastische) Verformung: dauerhaft.

Sprödes Verhalten zeigen beispielsweise Glas und Keramik. Duktiles Verhalten zeigen beispielsweise Kupfer und Aluminium.

Gemeinsame Beanspruchung

Die Beziehung zwischen Kraft und Material wird durch die angewendete Last bestimmt.

Umrechnung: 1 N/mm² = 1 MPa, 1 MPa = 10⁶ Pa

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Das Diagramm zeigt den Charakter eines Materials. Mechanische Eigenschaften werden in der Regel über Zugversuche an Rundproben ermittelt. Die Einheit der Spannung ist N/mm². Die maximale Spannung ist die höchste Beanspruchung, die ein Stück aushält, bevor es versagt. Ein Sicherheitskoeffizient stellt sicher, dass das Bauteil zuverlässig arbeitet. Eine geringere Festigkeit kann auf Poren oder schwere Fehlstellen hinweisen.

Dehnung

Dehnung bedeutet, dass sich ein Werkstück unter Zug verlängert. Die Dehnung ist eine wichtige Kenngröße, um die Duktilität eines Metalls zu messen. Kugelgraphitguss besitzt einen großen Wert.

Kennwerte mechanischer Eigenschaften

Der Elastizitätsmodul beschreibt die Steifigkeit eines Materials. Weitere Kennwerte sind die Elastizitätsgrenze, die Fähigkeit, Verformungen zu widerstehen, sowie die Plastizität.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Stöße zu widerstehen. Zähe Materialien können viel Energie aufnehmen, ohne zu brechen, und verhindern so das plötzliche Versagen.

Kerbschlagzähigkeit

Die Kerbschlagzähigkeit gibt die Energie an, die notwendig ist, um ein Material mit einem einzigen Schlag zu brechen. Sie wird indirekt aus der Zähigkeit abgeleitet.

Ermüdungsprüfung

Bei der Ermüdungsprüfung wird ein Material wiederholt oder zyklisch belastet. Die Ergebnisse werden als Wöhler-Kurve (S-N-Kurve) dargestellt.

Dauerfestigkeit

Die Dauerfestigkeit ist die Spannungsamplitude, die bei einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln zum Bruch des Materials führt.

Lebensdauer

Die Lebensdauer ist die Anzahl der Zyklen, die ein Material bei einer bestimmten Spannungsamplitude aushalten kann, dargestellt als N. Ermüdungsrisse entstehen immer an der Oberfläche des Materials.

Wichtige Formeln

• Dehnung: ε = ΔL / L₀
• Dehnung in Prozent: ε (%) = ΔL / L₀ · 100
• Längenänderung: ΔL = L_f − L₀
• Kreisfläche: A = π · r²
• Rechteckfläche: A = b · h
• Spannung: σ = F / A = N / mm²
• Elastizitätsmodul: E = σ / ε
• Maximale Betriebsspannung: σ_zul = σ_max / S