Unter den mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe versteht man die verschiedenen Eigenschaften, die sich unter Einwirkung äußerer Kräfte zeigen und die Eignung und Haltbarkeit der Werkstoffe in unterschiedlichen Umgebungen bestimmen. Im Folgenden sind die Hauptindikatoren für die mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe aufgeführt:
1. Festigkeit und Streckgrenze
Festigkeit ist die Fähigkeit eines metallischen Materials, der Einwirkung einer äußeren Kraft (Last) zu widerstehen und übermäßige plastische Verformung oder Bruch zu vermeiden. Es ist der grundlegendste und einer der wichtigsten Indikatoren für die mechanischen Eigenschaften von Metallwerkstoffen. Die Festigkeit kann in verschiedene Typen unterteilt werden, darunter Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Scherfestigkeit, wobei die Zugfestigkeit am häufigsten verwendet wird.
- Zugfestigkeit (σb oder Rm): bezieht sich auf den maximalen Spannungswert, dem ein Material unter Spannung standhalten kann, d. h. die maximale Spannung, die vor dem Abziehen erreicht werden kann. Es spiegelt die Fähigkeit des Materials wider, einem Bruch zu widerstehen, symbolisiert als Rm oder σb, und die Einheit ist MPa (Megapascal). Die Zugfestigkeit ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Zähigkeit und des plastischen Verformungsvermögens eines Materials.
- Streckgrenze (σs oder ReL, Rp0,2): Bezieht sich auf das Material im Zugprozess. Wenn die Spannung einen bestimmten kritischen Wert erreicht, erfährt das Material weiterhin eine erhebliche plastische Verformung des Spannungswerts, selbst wenn die Spannung nicht mehr erhöht wird. Bei Materialien mit offensichtlichem Fließphänomen ist die Fließgrenze die Fließgrenze der Spannung; Für Materialien ohne offensichtliches Fließphänomen wird üblicherweise eine Restverformung des Spannungswerts von 0,2 % als Streckgrenze festgelegt, die als Streckgrenze bezeichnet wird. Die Streckgrenze ist ein wichtiges Symbol für den Beginn der plastischen Verformung des Materials, aber auch für die strukturelle Gestaltung werden üblicherweise Festigkeitsindikatoren verwendet.
2. Plastizität und Dehnung
Unter Plastizität versteht man die Fähigkeit eines metallischen Materials, unter Einwirkung äußerer Kräfte eine deutliche plastische Verformung ohne Bruch zu erzeugen. Ein Material mit guter Plastizität kann durch plastische Verformung eine große Energiemenge absorbieren und so seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Ermüdung verbessern.
- Dehnung (δ): Der Prozentsatz der Gesamtdehnung eines Materials nach einem Zugbruch im Verhältnis zur ursprünglich markierten Länge. Es ist ein wichtiger Indikator für die Plastizität eines Materials.In der Technik werden normalerweise δ größer oder gleich 5 % des Materials als Kunststoffmaterialien bezeichnet, z. B. Weichstahl, Aluminium, Kupfer usw.; und δ Weniger als oder gleich 5 % des Materials werden als spröde Materialien wie Gusseisen, Glas, Keramik usw. bezeichnet.
- Abschnittsschrumpfung (ψ): bezieht sich auf den Prozentsatz der maximal reduzierten Fläche des Abschnitts zur ursprünglichen Bruchfläche des Materials nach dem Zugbruch. Es ist auch ein wichtiger Index zur Messung der Plastizität des Materials. Zusammen mit der Dehnung kann damit die plastische Verformungsfähigkeit des Materials umfassend beurteilt werden.
3. Härte
Härte ist die Fähigkeit eines Materials, anderen härteren Objekten zu widerstehen, die in seine Oberfläche gedrückt werden. Sie ist ein Indikator für den Härte- und Weichheitsgrad des Materials und ein wichtiger Parameter für die Verschleißfestigkeit und Schnittleistung des Materials.
- Brinellhärte (HBS, HBW) und Rockwellhärte (HRA, HRB, HRC): sind zwei häufig verwendete Härteprüfmethoden. Die Brinellhärte gilt für weichere Materialien, während die Rockwellhärte für härtere Materialien gilt. Mit der Härteprüfung können nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs beurteilt werden, sondern auch die Qualität der Oberflächenschicht des Werkstoffs, wie z. B. Entkohlung und Aufkohlung, überprüft werden.
4. Schlagzähigkeit
Schlagzähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Stoßbelastungen standzuhalten. Sie ist ein wichtiger Indikator für die Bruchfestigkeit von Materialien unter dynamischer Belastung.
- Schlagzähigkeitswert (Ak): üblicherweise in Joule/Quadratzentimeter (J/cm²) als Einheit, was die Fähigkeit des Materials angibt, unter der Einwirkung einer Stoßbelastung Energie zu absorbieren. Ein Material mit guter Schlagzähigkeit weist eine hohe Schlagbruchfestigkeit auf und eignet sich für Anwendungen, bei denen Stoßbelastungen angewendet werden müssen.
5. Elastizitätsmodul
Der Elastizitätsmodul ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung während der elastischen Verformungsphase eines Materials. Es ist ein wichtiges Maß für die Steifigkeit eines Materials.
- Elastizitätsmodul (E): normalerweise ausgedrückt in Pascal (Pa) oder Gigapascal (GPa). Für übliche metallische Materialien wie Stahl liegt der Elastizitätsmodul typischerweise zwischen 200 und 210 GPa. Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul weisen auch eine hohe Steifigkeit und einen hohen Widerstand gegen elastische Verformung auf.
6. Bruchzähigkeit
Bruchzähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einer Rissausbreitung zu widerstehen, wenn es Risse enthält. Es ist ein wichtiger Indikator für die Sprödbruchbeständigkeit eines Materials.
- Bruchzähigkeit (KIC): gibt den Spannungsintensitätsfaktor des Materials unter ebenen Dehnungsbedingungen an, wenn sich der Riss auszudehnen beginnt. Materialien mit hoher Bruchzähigkeit weisen auch eine hohe Sprödbruchbeständigkeit auf und eignen sich für Anwendungen, die hohe Belastungen oder Umgebungen mit niedrigen Temperaturen erfordern.
7. Ermüdungsfestigkeit
Unter Dauerfestigkeit versteht man die Fähigkeit eines Materials, Ermüdungsschäden bei Wechselbelastungen standzuhalten. Es ist ein wichtiger Indikator für die langfristige Lebensdauer eines Materials.
- Ermüdungsgrenze (σ-1): gibt den maximalen Spannungswert eines Materials unter unendlich vielen Wechselbelastungen ohne Ermüdungsschäden an. Werkstoffe mit hoher Dauerfestigkeit zeichnen sich zudem durch eine lange Lebensdauer aus und eignen sich für den Einsatz bei wechselnden Belastungen.
Zu den mechanischen Eigenschaftsindikatoren von Metallmaterialien gehören Festigkeit, Plastizität, Härte, Schlagzähigkeit, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Diese Indikatoren bestimmen zusammen die Anwendbarkeit und Haltbarkeit von Metallmaterialien in verschiedenen Umgebungen. In praktischen Anwendungen ist es notwendig, die geeigneten Metallmaterialien entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen auszuwählen, um die beste Produktqualität und Nutzungswirkung zu erzielen.
