Wie Ihnen aus der Physik und aus der Chemie bekannt ist, können Stoffe im Allgemeinen und Metalle im Besonderen in verschiedenen Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) auftreten. Insbesondere im festen Zustand reicht der Aggregatzustand zur Beschreibung der Struktur des Werkstoffs nicht aus, da unterschiedliche Zustandsformen parallel vorliegen können.Deshalb ist es notwendig, den Begriff der Phase einzuführen. Eine Phase ist eine Zustandsformeines Stoffes, in der Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften eines Stoffes unter Gleichgewichtsbedingungen konstant sind. Sie ist ein in sich homogener Bestandteil eines Systems.
Der Zugversuch ist eines der wichtigsten Prüfverfahren zur Bestimmung von mechanischen Kennwerten.Mit einem Experiment können Aussagen über die Steifigkeit bei Zugbelastung (Elastizitätsmodul), die Festigkeit (Streckgrenze, Zugfestigkeit) und das Verformungsvermögen (Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung und -einschnürung) getroffen werden. Die ermittelten Werkstoffkennwerte dienen zum qualitativen und quantitativen Vergleich verschiedener Werkstoffe/Werkstoffzustände und sind ein wichtiges Hilfsmittel bei der Werkstoffauswahl. Außerdem werden die Festigkeitskennwerte für die Dimensionierung statisch beanspruchter Bauteile/Konstruktionen verwendet. Die beim Zugversuch bestimmten Spannungen und Dehnungen lassen sich für die Berechnung von Kräften bei der Kaltumformung heranziehen.
Die Eigenschaften der Werkstoffe werden von der kristallinen Struktur und vom Gefüge geprägt. Während die kristalline Struktur einesMaterials eng mit der chemischen Zusammensetzung und den vorliegenden Zustandsgrößen Druck und Temperatur verbunden ist, wird das Gefüge von den realen Herstellungsbedingungen (z. B. herstellungsbedingte Verunreinigungen, Haltetemperatur und -zeit bei einer Wärmebehandlung, Abkühlverlauf, Umformgrad, Umgebungsmedium) geprägt. Gefüge ist die Beschaffenheit (Zusammenfügung) aller Teilvolumina eines Werkstoffs, die hinsichtlich Zusammensetzung und räumlicher Anordnung seiner Bausteine in erster Näherung homogen sind. Das Gefüge wird charakterisiert durch Art, Menge, Größe, Verteilung, Form und Orientierung der Gefügebestandteile (Phasen, Phasengemische).
Härteprüfverfahren erlauben es, Eigenschaftsveränderungen des Stahls, z. B. hervorgerufen durch eine Wärmebehandlung oder Unterschiede zwischen den Werkstoffen einfach und schnell zu ermitteln.Durch mehrere Härteeindrücke an verschiedenen Stellen eines Bauteils lässt sich die Gleichmäßigkeit von Eigenschaften untersuchen. Bei den meisten Härteprüfverfahren wird ein Eindringkörper mit definierter Kraft in denWerkstoff gedrückt und nach teilweiser oder vollständiger Entlastung die Eindringtiefe oder die Geometrie des Eindrucks gemessen.
Auch wenn in den letzten Jahren die Bedeutung der Leichtmetalllegierungen, der Kunststoffe und der Verbundwerkstoffe erheblich angestiegen ist, bleibt der Stahl imMaschinen- und Fahrzeugbau, aber auch im Hochbau der wichtigste Konstruktionswerkstoff. Neben ökonomischen und ökologischen Ursachen wie preiswerte Erzeugung, gute Verfügbarkeit und einem geschlossenen Recyclingkreislauf ist die Breite der mechanischen Eigenschaften dafür verantwortlich. So ist es möglich, hervorragend umformbare Stähle mit geringer Festigkeit und hoher Bruchdehnung für das Tiefziehen oder harte, verschleißbeständige und hochfeste Stähle mit ausreichender Zähigkeit für Werkzeuge oder Lagerwerkstoffe zu erzeugen. Diese Eigenschaften lassen sich durch eine hohe Reinheit, Legieren und gezielte Wärmebehandlung erreichen.
Neben der Festigkeit, der Verformbarkeit und der Härte ist die Zähigkeit des Werkstoffs eine entscheidende Eigenschaft, die bei der Werkstoffauswahl im Allgemeinen und bei Konstruktionswerkstoffen im Besonderen berücksichtigt werden muss. Konstruktionswerkstoffe haben die Aufgabe, Kräfte und Momente zu übertragen. Unabhängig von der konkreten Aufgabe dürfen solcheMaterialien im Überlastfall niemals spröd versagen, sondern müssen in der Lage sein, plötzlich auftretende Spannungsspitzen durch plastische Verformung oder andere Formen der Energiedissipation abzubauen. Diese Eigenschaft wird als Zähigkeit bezeichnet.
Die meisten Teile vonMaschinen, Geräten, Fahrzeugen (z. B. Zahnräder,Wellen, Achsen, Federn) aber auch Bauwerke (Brücken, Türme von Windkraftanlagen) werden nicht nur rein statisch belastet, sondern unterliegen auch zeitlich veränderlichen Belastungen. Die wirkende Kraft steigt an und fällt wieder ab (schwellende Belastung) oder es kommt zu einer Umkehr der Belastungsrichtung (z. B. sich abwechselnde Zug- und Druckbeanspruchung – wechselnde Belastung). Diese Belastungswechsel werden als mechanische Schwingungen aufgefasst und können sich millionenfach wiederholen.
Frank Hahn
Backmatter
Metadaten
Titel
Werkstofftechnik-Praktikum
verfasst von
Frank Hahn
Copyright-Jahr
2015
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-44494-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-44494-2
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