Mechanisches Verhalten der Werkstoffe

Frontmatter

1. Aufbau der Werkstoffe

Zusammenfassung

Werkstoffe existieren in einer großen Vielfalt und mit stark unterschiedlichen Eigenschaften. So lässt sich beispielsweise ein Kupferdraht leicht mit der Hand in eine neue Form biegen, eine Gummiband dagegen wird nach einer Verformung wieder in seine ursprüngliche Form zurückschnellen, während der Versuch, ein Glasröhrchen zu biegen, mit dem Bruch des Röhrchens endet. Die starken Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften spiegeln sich auch im Einsatz der Werkstoffe als Konstruktionswerkstoffe wieder – weder wird man Autos aus Glas noch Brücken aus Gummi bauen wollen. Dem Konstrukteur erlaubt diese Vielfalt, den geeignetsten Werkstoff für eine bestimmte Konstruktion auszuwählen. Dazu ist es jedoch oft notwendig, die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe nicht nur zu kennen, sondern auch zu verstehen, welche physikalischen Mechanismen ihnen zugrunde liegen.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

2. Elastisches Verhalten

Zusammenfassung

Wird ein Werkstoff mit einer Kraft belastet, so reagiert er auf diese Kraft mit einer Verformung, bei der sich die Atome im Inneren des Werkstoffs verschieben. Diese Verformung bestimmt das mechanische Verhalten des Werkstoffs. Es gibt verschiedene Arten der Verformung, die nicht nur durch unterschiedliche physikalische Mechanismen verursacht werden, sondern auch verschiedene technische Anwendungen besitzen. Insbesondere unterscheidet man zwischen reversiblen Verformungen, d. h. solchen, bei denen der Werkstoff bei der Entlastung wieder seine ursprüngliche Form annimmt, und irreversiblen Verformungen, bei denen die Verformung auch nach der Entlastung erhalten bleibt. Reversible Verformungen werden beispielsweise in Federn oder schwingenden Saiten angewandt, irreversible Verformungen dienen etwa in Schmiedeprozessen zur Herstellung von Bauteilen oder werden zur Energieabsorption in Crashelementen genutzt. Allgemein bezeichnet man jede Art von reversibler Verformung als elastisch, irreversible Verformungen als plastisch.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

3. Plastizität und Versagen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Grundzüge der Plastizität phänomenologisch diskutiert, ohne dabei auf einzelne Werkstoffklassen mit ihren speziellen Mechanismen einzugehen. Dies wird in den Kapiteln 6 bis 9 getan.

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4. Kerben

Zusammenfassung

Als Kerben wirken alle plötzlichen Querschnittsänderungen in Bauteilen. Häufig sind diese konstruktiv notwendig, z. B. als Lagersitz, in Form von Passfedernuten, als Sprengringaufnahmen, Bohrungen oder Gewinde für Anschlüsse. Kerben können aber auch durch die Fertigung oder den Betrieb entstehen, beispielsweise als Gusslunker, Drehriefen oder Macken. Sie führen zu Spannungskonzentrationen und können deshalb vorzeitiges Versagen verursachen, sofern sie bei der Bauteilauslegung nicht berücksichtigt werden. Die Aufgabe der in diesem Kapitel behandelten Theorien ist es, die Auswirkungen der Kerben auf die Beanspruchung des Werkstoffs abzuschätzen und so ein Werkzeug zur Auslegung von Bauteilen mit Kerben zur Verfügung zu stellen.

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5. Bruchmechanik

Zusammenfassung

Bauteile können aus verschiedenen Gründen Anrisse bzw. rissartige Defekte aufweisen. Mögliche Ursachen sind Bearbeitungsfehler, Anrissbildung durch zyklische (siehe Kapitel 10) oder korrosive Beanspruchung sowie herstellungsbedingte Fehler, wie z. B. Gusslunker in Metallen oder Sinterporen in Keramiken (Beispiele in Bild 5.1).

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6. Mechanisches Verhalten der Metalle

Zusammenfassung

Metalle zeichnen sich, wie bereits in Abschnitt 1.2 erwähnt, durch ihre gute plastische Verformbarkeit aus, die eine große technische Bedeutung besitzt. Sie ermöglicht zum einen die Herstellung komplexer metallischer Bauteile durch Umformprozesse, zum anderen führt sie dazu, dass ein Bauteil bei Überschreiten der Fließgrenze meist nicht sofort durch Bruch versagt, sondern sich zunächst nur plastisch verformt. Dadurch wird Sicherheit gewonnen, da die Überlastung meist vor einem katastrophalen Bruch erkannt werden kann.

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7. Mechanisches Verhalten der Keramiken

Zusammenfassung

Keramiken zeichnen sich durch große elastische Steifigkeit, hohe Festigkeit, insbesondere unter Druckbelastung, gute chemische Beständigkeit sowie hohe Temperaturbeständigkeit aus. Der letzte Punkt gilt allerdings nur für kristalline Keramiken, deren Hochtemperaturverhalten in Kapitel 11 untersucht wird. Amorphe Keramiken (Gläser) besitzen im Gegensatz zu den kristallinen Keramiken keinen Schmelzpunkt, sondern erweichen bei einer Zunahme der Temperatur und verhalten sich dann wie viskose Flüssigkeiten, wobei die Viskosität mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die Erweichungstemperatur liegt dabei deutlich niedriger als typische Schmelztemperaturen kristalliner Keramiken. Fensterglas beispielsweise kann bei Temperaturen von einigen Hundert Grad Celsius verformt werden. Da dieses Verhalten der amorphen Keramiken dem der amorphen Thermoplaste ähnlich ist, die in Kapitel 8 ausführlich behandelt werden, wird es in diesem Kapitel nicht gesondert betrachtet.

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8. Mechanisches Verhalten der Polymere

Zusammenfassung

Polymere existieren in großer Vielfalt und mit stark unterschiedlichen Eigenschaften, die sie für so unterschiedliche Anwendungen wie Gummireifen, Motorradhelme, Lebensmittelverpackungen oder Plastiktüten geeignet machen. Diese große Vielfalt kommt dadurch zustande, dass sie aus organischen Kettenmolekülen zusammengesetzt sind, deren Aufbau sich in weiten Grenzen beeinflussen lässt (siehe auch Kapitel 1).

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

9. Mechanisches Verhalten der Faserverbundwerkstoffe

Zusammenfassung

Verbundwerkstoffe sind Kombinationen verschiedener Materialien mit dem Ziel, günstige Eigenschaften der beteiligten Werkstoffe zu vereinen. Dass derartige Kombinationen vorteilhaft sein können, wurde bereits in den Abschnitten 6.4.3 für die Teilchenhärtung von Metallen und 7.5 für Dispersionskeramiken gezeigt.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

10. Werkstoffermüdung

Zusammenfassung

Bisher wurden nur statische sowie monoton veränderliche Belastungen besprochen. Im realen Betrieb treten jedoch häufig zyklische Belastungen auf, bei denen sich die Last zeitlich ändert und sich Lastfälle gleich oder ähnlich wiederholen. Zu diesen gehören beispielsweise umlaufende Biegebelastungen an rotierenden Wellen, (Resonanz-)Schwingungen in Maschinen, aber auch Anfahr- und Abschaltvorgänge, z. B. von Turbinen.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

11. Kriechen

Zusammenfassung

Als Kriechen bezeichnet man die zeitabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffs unter Last. Nach der Definition aus Abschnitt 2.1 sind Kriechvorgänge also viskoplastische Vorgänge. Die zeitabhängige plastische Verformung von Polymeren, wie sie beispielsweise im Alltag bei schwer beladenen Kunststofftüten zu beobachten ist, wurde bereits in Kapitel 8 behandelt. In diesem Kapitel soll das Kriechverhalten von Metallen und Keramiken diskutiert werden. Kriechvorgänge treten in diesen Materialien bei erhöhter Temperatur auf, beispielsweise in Turbinen, in denen die Schaufeln im Laufe der Belastung durch die anliegenden Zentrifugallasten ihre Länge erhöhen, oder in Rohrleitungen für Dampf in Kraftwerken, die sich unter hohem Druck langsam ausdehnen oder durch ihr Eigengewicht durchbiegen.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

12. Aufgaben

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden Aufgaben zum Verständnis und weiterführende Fragen zu den im Buch vorgestellten Themen gestellt. Auf einfache Wiederholungsaufgaben, die durch Nachschlagen im Buch beantwortet werden können, wird weitgehend verzichtet. Die zugehörigen Lösungen können in Kapitel 13 nachgelesen werden.

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

13. Lösungen

Zusammenfassung

Eine kubisch flächenzentrierte Elementarzelle (Bild 1.5 a) hat die Kantenlänge a und besteht aus 4 Atomen (8 Eckatome zu je 1/8 und 6 Atome auf den Flächen jeweils zur Hälfte). Über die Flächendiagonale der Länge √2 a sind 4 Atomradien verteilt.

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