Mechanische Eigenschaften von Metallen und Legierungen

I. Mechanische Eigenschaften von Metallen und Legierungen

Diese Eigenschaften beschreiben das Verhalten von Metallen oder Legierungen gegenüber Kräften, die eine Änderung ihrer Form bewirken sollen. Die grundlegenden Arten von Belastungen, die auf eine Struktur oder Maschine einwirken können, sind:

• Zug
• Druck
• Scherung
• Biegung
• Torsion
• Knicken
• Kombinationen dieser Belastungen

Festigkeit (Widerstand)

Die Festigkeit ist die Fähigkeit eines Metalls, einer externen Belastung standzuhalten, ohne zu brechen. Da jede Lastart ihren entsprechenden Widerstand hat, wird in der Regel versucht, im elastischen Bereich zu arbeiten, d.h. unterhalb der Streckgrenze, um bleibende (plastische) Verformungen zu vermeiden.

Härte

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Härte:

• Kratzhärte: Die Fähigkeit eines Metalls, nicht durch ein anderes Material zerkratzt zu werden.
• Eindringhärte (Technische Härte): Die Fähigkeit eines Metalls, dem Eindringen anderer Materialien zu widerstehen.

Diese Eigenschaft ist im Maschinenbau von großer Bedeutung, da viele Entscheidungen, wie beispielsweise die Wahl des Schneidwerkzeugs, auf diesen Informationen basieren.

Schlagzähigkeit (Widerstandsfähigkeit)

Die Schlagzähigkeit ist der Widerstand eines Materials, durch einen Schlag gebrochen zu werden.

Kriechen (Creep)

Das Kriechen ist die Eigenschaft einiger Materialien, sich langsam und spontan unter ihrem Eigengewicht oder kleinen Lasten zu verformen. Diese Verformung wird als Kriechen bezeichnet.

Ermüdung (Fatigue)

Wenn ein Werkstück wiederholten oder regelmäßigen Belastungen (zyklischen Lasten) ausgesetzt ist, kann es zum Bruch kommen, selbst wenn die aufgebrachte Last unterhalb der statischen Streckgrenze liegt. Dies geschieht, ohne dass kontinuierliche Verformungen auftreten, die zum Versagen führen.

Grundlagen der Verformung unter Zugbelastung

Bevor wir die folgenden vier Eigenschaften betrachten, ist es wichtig zu verstehen, was allgemein mit einer Probe aus einer Metalllegierung (wie Stahl) geschieht, wenn sie auf Zug beansprucht wird:

Wird eine progressive Last auf eine Probe aufgebracht, verformt sich diese zunächst proportional zur Last. Wenn die Last entfernt wird, nimmt die Probe ihre ursprüngliche Form wieder an (elastischer Bereich). Wenn wir die Belastung jedoch weiter erhöhen, wird ein Punkt erreicht, an dem die Probe nach Entfernen der Last bleibende (plastische) Verformungen behält. Wird die Belastung noch weiter erhöht, bricht die Probe schließlich.

Elastizität

Die Elastizität ist die Fähigkeit eines Körpers, seine ursprüngliche Form wiederherzustellen, nachdem die ihn verformende Kraft entfernt wurde. Ein wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist die Elastizitätsgrenze. Diese definiert die maximale Belastung, der ein Material ausgesetzt werden kann, ohne dass bleibende Verformungen entstehen. Dieser Wert wird häufig für Berechnungen im Maschinenbau verwendet, da oft im elastischen Bereich gearbeitet wird.

Plastizität

Die Plastizität ist die Fähigkeit eines Materials, sich dauerhaft zu verformen, ohne zu brechen, nachdem die verformende Belastung aufgehört hat.

Zähigkeit

Die Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Energie vor dem Bruch zu absorbieren. Für die Messung dieser Eigenschaft sind die Form der Probe und die Art der Belastungsaufbringung sehr wichtig.

Sprödigkeit (Zerbrechlichkeit)

Die Sprödigkeit drückt den Mangel an Plastizität und somit das Gegenteil von Zähigkeit aus. Bei spröden Metallen tritt der Bruch kurz nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze auf, d.h., es findet kaum plastische Verformung statt.

Duktilität

Die Duktilität ist ein Maß für den Grad der plastischen Verformung, den ein Material vor dem Bruch aushalten kann. Sie wird quantitativ durch die prozentuale Verlängerung oder die prozentuale Querschnittsreduktion ausgedrückt.