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Der seltsame Tanz von Spannung und Beanspruchung: Wie verformen sich Materialien unter Druck?
Im Ingenieurwesen und in den Materialwissenschaften sind Spannungs-Dehnungs-Kurven der Schlüssel zum Verständnis des Materialverhaltens. Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung, die durch allmähliches Aufbringen einer Last auf eine Testmaterialprobe und Messung ihrer Verformung ermittelt wird. Diese Kurven helfen Ingenieuren nicht nur bei der Vorhersage der Materialleistung, sie offenbaren auch wichtige Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Streckgrenze und Zugfestigkeit.
Spannungs- und Dehnungskurven können die Eigenschaften von Materialien in verschiedenen Verformungsstadien offenbaren, was sie zu einem wichtigen Werkzeug macht, das in der Ingenieurswelt nicht ignoriert werden darf.
Definition der Spannungs- und Dehnungskurve
Im Allgemeinen stellt die Spannungs-Dehnungs-Kurve die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung bei jeder Form der Verformung dar. Diese Beziehungen können Normal-, Scher- oder eine Mischung aus beidem sein und können einachsig, zweiachsig oder mehrachsig sein und können sogar im Laufe der Zeit variieren. Die Form der Verformung kann Druck, Zug, Torsion, Rotation usw. sein.
Zukünftige Diskussionen werden sich hauptsächlich auf die Beziehung zwischen axialer Normalspannung und axialer Normaldehnung konzentrieren, die durch Zugversuche ermittelt wird. In vielen praktischen Situationen weisen verschiedene Materialien unterschiedliche Spannungs-Dehnungs-Kurven auf, die das einzigartige Verhalten des Materials widerspiegeln.
Verschiedene Phasen der Spannungs-Dehnungs-Kurve
Die Spannungs-Dehnungs-Kurve vieler Materialien kann in verschiedene Phasen unterteilt werden, wobei jede Phase ein unterschiedliches Verhalten zeigt. Am Beispiel von kohlenstoffarmem Stahl zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve bei Raumtemperatur die folgenden Hauptstadien:
Linearer elastischer Bereich
Die erste Stufe ist der lineare elastische Bereich. In diesem Bereich ist die Spannung proportional zur Dehnung, das heißt, sie folgt dem Hawkeschen Gesetz, und die Steigung dieses Bereichs ist der Elastizitätsmodul. Hierbei erfährt das Material bis zum Beginn der plastischen Verformung nur eine elastische Verformung, und die Spannung an diesem Punkt wird als Streckgrenze bezeichnet.
Verfestigungszone
Die zweite Stufe ist die Kaltverfestigungszone. In diesem Bereich steigt die Spannung allmählich an, wenn die Spannung die Streckgrenze überschreitet, bis die sogenannte Zugfestigkeit erreicht ist. Dieser Bereich ist durch Spannungen gekennzeichnet, die vor allem mit der Dehnung des Materials zunehmen. Da der Werkstoff in diesem Stadium einer Kaltverfestigung unterliegt, sind immer größere Spannungen erforderlich, um den inneren Widerstand zu überwinden.
Während des Kaltverfestigungsprozesses erhöht die plastische Verformung die Versetzungsdichte im Material, was einen erheblichen Einfluss auf das spätere Verformungsverhalten hat.
Halsbereich
Die dritte Stufe ist der Einschnürungsbereich. Wenn die Spannung die maximale Zugfestigkeit übersteigt, schrumpft der lokale Querschnitt des Materials deutlich und es kommt zur Einschnürung. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verformung ungleichmäßig und die Spannung konzentriert sich auf die verengten Teile, was zu einer schnelleren Entwicklung von Einschnürungen und schließlich zum Bruch führt. Obwohl die Zugkraft zu diesem Zeitpunkt reduziert wird, setzt sich die Kaltverfestigung fort und die tatsächliche Spannung steigt weiter an.
Das Ende des verengten Bereichs stellt den Bruch des Materials dar, und die Dehnung und Querschnittsverringerung nach dem Bruch können berechnet werden, um von der Ingenieursgemeinschaft bei der Entwicklung von Materialien und Herstellungsprozessen verwendet zu werden.
Klassifizierung von Materialien
Basierend auf den gemeinsamen Eigenschaften der Spannungs-Dehnungs-Kurve können wir Materialien grob in zwei Kategorien einteilen: duktile Materialien und spröde Materialien.
duktile Materialien
Duktile Materialien wie Baustahl und die meisten anderen Metalle weisen bei im Allgemeinen normalen Temperaturen Fließeigenschaften auf. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve solcher Materialien enthält normalerweise eine genau definierte Streckgrenze und zeigt eine Reihe von Verformungsverhalten während der plastischen Verformungsphase. Die Zähigkeit eines duktilen Materials hängt oft von der Fläche unter seiner Spannungs-Dehnungs-Kurve ab, die ein Hinweis auf die Energie ist, die das Material vor dem Bruch absorbiert.
Spröde Materialien
Spröde Materialien wie Gusseisen, Glas und einige Steine zeigen ein ganz anderes Verhalten als duktile Materialien. Diese Materialien haben oft keine genau definierte Streckgrenze und der Bruch erfolgt bei geringer Änderung der Verformungsgeschwindigkeit. Seine Spannungs-Dehnungs-Kurve ist normalerweise linear und führt während des Verformungsprozesses zu keiner nennenswerten plastischen Verformung.
Spröde Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Bruch tendenziell wieder ihre ursprüngliche Form annehmen, ganz im Gegensatz zum Einschnürungsbruch duktiler Materialien.
Zu verstehen, wie sich Materialien unter unterschiedlichen Belastungen verhalten, ist zweifellos entscheidend für die Entwicklung und Auswahl geeigneter Materialien. In der angewandten Technik müssen wir uns mit den Eigenschaften verschiedener Materialien und ihrem Verhalten unter verschiedenen Umständen befassen. Haben Sie sich jemals gefragt, welche potenziellen Faktoren neben der Festigkeit bei der Materialauswahl berücksichtigt werden sollten?
