Materialkunde: Fügetechniken, Mechanische Eigenschaften & Härte

Klebstoffe und Mechanische Verbindungselemente

Mechanische Verbindungselemente umfassen die Verwendung verschiedener Methoden zum mechanischen Zusammenhalten von Bauteilen. Diese Verfahren nutzen separate Hardware-Komponenten, sogenannte Verbindungselemente. Befestigungsmethoden werden in zwei Klassen unterteilt:

• Solche, die eine dauerhafte Verbindung schaffen (z.B. Nieten).
• Solche, die eine Demontage ermöglichen (z.B. Gewindeverbindungen wie Schrauben, Bolzen und Muttern).

Mechanische Verbindungen werden gegenüber anderen Fügeverfahren aus verschiedenen Gründen bevorzugt:

• Einfache Herstellung.
• Einfache Montage und Transportierbarkeit.
• Einfache Demontage, Wartung, Teileaustausch oder Reparatur.
• Einfache Konstruktion von beweglichen Gelenken wie Scharnieren, Schiebemechanismen und verstellbaren Konsolen.
• Niedrigere Gesamtherstellungskosten des Produkts.

Klebstoffe

Klebstoffe werden zum Verbinden und Abdichten ähnlicher und unterschiedlicher Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Keramik, Holz, Papier und Pappe eingesetzt. Es ist ein Fügeverfahren, bei dem ein Füllmaterial (der Klebstoff) zwei (oder mehr) Bauteile durch Oberflächenhaftung miteinander verbindet. Der Klebstoff ist ein nichtmetallischer Stoff, in der Regel ein Polymer.

Damit diese Adhäsionsmechanismen erfolgreich wirken, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

1. Die Oberflächen der Fügeteile müssen sauber und frei von Schmutzfilmen, Fett und Rost sein.
2. Der Klebstoff sollte in seiner ursprünglichen flüssigen Form eine vollständige Benetzung der zu verbindenden Oberfläche gewährleisten.
3. Es ist in der Regel hilfreich, wenn die Oberflächen nicht ganz glatt sind; eine leicht raue Oberfläche erhöht die reale Kontaktfläche und fördert die mechanische Verankerung.

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Mechanische Eigenschaften sind besondere Merkmale, die Materialien voneinander unterscheiden.

Spannungs-Dehnungs-Beziehung

Statische Belastungsarten, denen Materialien ausgesetzt sein können, sind Zug, Druck und Schub. Zugspannung neigt dazu, das Material zu verlängern, während Druckspannung dazu neigt, Teile zu komprimieren. Scherkräfte, die auf benachbarte Querschnitte wirken, neigen dazu, Materialschichten gegeneinander zu verschieben.

Zugbelastung

Hierbei wirkt eine Kraft, die das Material auseinanderzieht, wodurch es sich verlängert und sein Durchmesser abnimmt.

Druckbelastung

Bei einer Druckprüfung wird eine zylindrische Probe einer Last ausgesetzt, die sie staucht. Beim Komprimieren verringert sich die Höhe und die Querschnittsfläche nimmt zu.

Biege- und Bruchprüfung

Die Biegeprüfung wird verwendet, um das Umformverhalten von Metallblechen zu beurteilen. Beim Biegen (oder Falten) wird das Material in der äußeren Hälfte des gebogenen Bereichs Zugspannung (und Verformung) und in der inneren Hälfte Druckspannung (und Stauchung) ausgesetzt. Wenn das Material nicht bricht, wird es dauerhaft verformt.

Scherfestigkeit

Die Scherung beinhaltet die Anwendung von Kräften in entgegengesetzter Richtung auf beiden Seiten eines dünnen Elements, wodurch es sich parallelogrammförmig verformt.

Härte

Härte ist die Eigenschaft von Materialien, dem Eindringen, Kratzen und Schneiden zu widerstehen.

Härtemessverfahren und Materialeigenschaften

Die Härte wird mit einem Durometer gemessen. Das Interesse an der Bestimmung der Härte von Stählen liegt in der Korrelation zwischen Härte und mechanischer Festigkeit, da dies eine billigere und schnellere Prüfmethode als der Zugversuch ist.

Gängige industrielle Härteskalen:

• Brinell-Härte
• Knoop-Härte
• Rockwell-Härte
• Rockwell-Oberflächenhärte
• Rosiwal-Härte
• Shore-Härte
• Vickers-Härte
• Webster-Härte

Viskosität

Die Viskosität ist die Eigenschaft von Flüssigkeiten, die ihren Fließwiderstand bestimmt. Insgesamt kann die Viskosität einer Flüssigkeit als Maß für ihren Strömungswiderstand definiert werden.

Viskoelastisches Verhalten von Polymeren

Eine weitere charakteristische Eigenschaft von Polymeren ist die Viskoelastizität. Diese Eigenschaft beschreibt die zeitabhängige Verformung eines Materials unter dem Einfluss von Spannung und Temperatur. Wie der Name andeutet, ist sie eine Kombination aus Viskosität und Elastizität.