Mechanische Grundlagen: Kräfte, Materialeigenschaften & Beanspruchungen

Was ist Kraft?

Eine Kraft ist in der Lage, die Bewegung oder den Ruhezustand eines Körpers zu verändern oder Verformungen hervorzurufen. Die Einheit der Kraft im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Newton (N). Die Wirkung einer Kraft auf einen Körper wird oft mit Pfeilen dargestellt.

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Die mechanischen Eigenschaften bestimmen das Verhalten von Werkstoffen unter Einwirkung von Kräften. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

• Beständigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, Kräften standzuhalten, ohne sich übermäßig zu verformen oder zu brechen.
• Festigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, äußeren Belastungen zu widerstehen, ohne zu versagen.
• Elastizität: Die Eigenschaft eines Materials, nach einer Verformung durch eine Kraft in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Es gibt jedoch eine Elastizitätsgrenze, jenseits derer das Material dauerhaft verformt wird oder sogar bricht.
• Plastizität: Die Fähigkeit eines festen Materials, sich unter Krafteinwirkung dauerhaft zu verformen, ohne zu brechen.
• Härte: Der Widerstand eines Materials gegen Eindringen oder Kratzen.

Zähigkeit und Sprödigkeit

Zähigkeit ist die Eigenschaft einiger Materialien, wiederholten Kräften standzuhalten, ohne zu brechen. Sie ist das Gegenteil von Sprödigkeit. Ein sprödes Material, wie Glas, bricht leicht bei einem Schlag oder dem Versuch, es zu biegen.

Duktilität und Formbarkeit

• Duktilität: Die Eigenschaft bestimmter Materialien, sich dauerhaft zu einem dünnen Draht verformen zu lassen, ohne zu brechen.
• Formbarkeit: Die Eigenschaft bestimmter Materialien, sich dauerhaft zu dünnen Blechen verformen zu lassen, ohne zu brechen.

Beanspruchungen von Materialien

Wenn Kräfte auf einen Körper einwirken, wird dieser einer Beanspruchung ausgesetzt. Der Widerstand eines Objekts gegen eine bestimmte Beanspruchung hängt von drei Faktoren ab: Größe, Form und Art der Beanspruchung. Es gibt fünf verschiedene Arten von Beanspruchungen:

• Zugspannung

  Zugspannung tritt auf, wenn zwei entgegengesetzte Kräfte an einem Körper ziehen und ihn dabei dehnen oder verlängern. Materialien, die Zugspannung ausgesetzt sind, sollten flexibel, aber nicht übermäßig elastisch sein.

• Druckspannung

  Druckspannung entsteht, wenn Kräfte auf ein Objekt wirken, die in die gleiche Richtung zeigen, aber entgegengesetzt gerichtet sind, wodurch das Objekt gestaucht oder verkürzt wird. Um Druckspannungen standzuhalten, sollte ein Körper starr und vorzugsweise nicht zu breit und lang sein.

  Knickung

  Knickung ist die Verformung, die Körper unter Druckspannung erleiden, wenn sie dünn und lang sind.

• Biegespannung

  Wenn Kräfte quer zur Längsachse eines Bauteils wirken und es zu biegen versuchen, spricht man von Biegespannung. Der Körper biegt sich, und die Kräfte verhalten sich unterschiedlich.

• Torsionsspannung (Drehmoment)

  Der Effekt von Kräften, die einen Körper verdrehen, wird als Torsionsspannung oder Drehmoment bezeichnet. Je dicker der Körper, desto widerstandsfähiger ist er gegen Torsion.

• Schubspannung

  Schubspannung entsteht, wenn zwei entgegengesetzte Kräfte parallel zu einer Fläche eines Elements wirken. Sind diese Kräfte groß genug und überwinden den Widerstand des Materials, ist das Ergebnis ein Scherbruch oder Schnitt.