Mechanische Eigenschaften sind wichtig für die Beschreibung des Verhaltens eines Materials, wenn eine Belastung einwirkt. Viele Prüfungen wie Zug-, Druck-, Schlag-, Biege-, Scher-, Torsions- und Härtetests wurden entwickelt, um die Reaktion eines Materials auf eine von außen einwirkende Kraft zu beobachten. Diese Eigenschaften sind wichtig, damit Konstrukteure geeignete Materialien für verschiedene Anwendungen auswählen können.
Was ist die Dehnung eines Materials?
Die Dehnung ist ein Maß für die Verformung, die auftritt, bevor ein Material schließlich bricht, wenn es einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Bei dieser Belastung kommt es zu einer Längenvergrößerung und einer gleichmäßigen Querschnittsverkleinerung, während das Volumen des Materials konstant bleibt. Eine Dehnung durch Ausdehnung kann auch auftreten, wenn ein Material einer Temperaturerhöhung ausgesetzt ist oder wenn gleichzeitig eine axiale Kraft und eine hohe Temperatur auf ein Material einwirken.
Wie wird die Dehnung gemessen?
Die Messung der Materialdehnung durch axiale Kraft erfolgt in der Regel durch einen Standard-Zugversuch. Ein Streifen oder Stab mit einer bestimmten Länge und einer gleichmäßigen Querschnittsfläche, der an einem Ende befestigt ist, wird einer Zugbelastung entlang der Achse der Probe ausgesetzt. Beim Einspannen der Probe in die Spannzeuge der Prüfmaschine werden Messmarken auf die Probe geritzt, um die Messlänge zu definieren. Die axiale Belastung wird schrittweise erhöht und die Dehnung wird beobachtet, bis das Material mechanisch bricht oder bricht. Diese Prüfung ist in der Regel normalisiert, wird mit konstanter Lastgeschwindigkeit durchgeführt und ist zerstörend. Die Mess- oder Kalibrierlänge muss lang genug sein, um sicherzustellen, dass die Zugspannung gleichmäßig übertragen wird.
Bild 1 als Referenz. Quelle- https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
Ein typischer Ablauf eines Zugversuchs beginnt damit, dass sich die Probe in Abwesenheit einer Last befindet. Bei der anfänglichen Aufbringung der Last ist eine gleichmäßige Dehnung und Verringerung der Querschnittsfläche zu beobachten. Dies setzt sich bis zum Erreichen einer Höchstlast fort. Daraufhin kommt es zu einer Einschnürung, die dazu führt, dass die folgende Verformung ungleichmäßig wird und nur an der Einschnürung stattfindet. Die lokale Eigenspannung nimmt mit abnehmender Halsfläche weiter zu, bis es zum Bruch kommt.
Die Formel für die Dehnung bei beliebiger Länge L im Zugversuch lautet:
wobei,
δ = Dehnung, (in oder mm)
L0 = anfängliche Messlänge zwischen den Markierungen, (in oder mm)
L = Länge zwischen den Markierungen an einem beliebigen Punkt während der gleichmäßigen Dehnung, (in oder mm)
Während eines Zugversuchs werden gleichzeitig die aufgebrachte Last und die Dehnung der Messlänge gemessen. Diese Daten können in einem Diagramm, der so genannten Spannungs-Dehnungs-Kurve, aufgezeichnet werden. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist für das Verständnis der Materialeigenschaften wichtig, da sie die grundlegende Beziehung zwischen der technischen Spannung und der technischen Dehnung zeigt.
Die Formel für die technische Spannung, die einen Einfluss der aufgebrachten Last auf die ursprüngliche Querschnittsfläche zeigt, lautet:
wobei,
σ = technische Spannung, (lb/sq. in oder MPa)
P = aufgebrachte Last, (lb oder N)
A0 = ursprüngliche Querschnittsfläche, (sq. in oder sq. mm)
Die technische Dehnung hingegen wird als Verhältnis der Dehnung zur Messlänge gemessen:
wobei,
ε = technische Dehnung, (einheitenlos)
δ = Dehnung an einem beliebigen Punkt während der gleichmäßigen Dehnungsphase, (in oder mm)
L0 = ursprüngliche Messlänge zwischen den Markierungen (in oder mm)
Was ist prozentuale Dehnung?
Angenommen, wir haben einen Stab, der einer Zugfestigkeitsprüfung unterzogen wurde. Mit einem Längenänderungsaufnehmer können wir die ursprüngliche Messlänge Lo und eine endgültige Messlänge Lf nach Einschnürung und Bruch messen. Das Verhältnis der Differenz zwischen der endgültigen Länge und der ursprünglichen Länge zur ursprünglichen Länge wird als prozentuale Dehnung (%δ) bezeichnet.
wobei,
%δ = prozentuale Dehnung, (%)
Lf = endgültige Probenlänge, (in oder mm)
Lo = ursprüngliche Probenlänge, (in oder mm)
Dieses Maß stellt eine Materialeigenschaft dar, die als Duktilität bezeichnet wird.
Warum wird die Materialdehnung berechnet?
Die Durchführung eines Zugversuchs zur Bestimmung der Dehnung verschiedener Materialien ist wichtig, um ihre Einsatzmöglichkeiten zu bewerten. Zum Beispiel sind Materialien mit hoher Dehnung – d.h. guter Dehnbarkeit – entscheidend für Bauteile, die Energie durch plastische Verformung absorbieren müssen, wie z.B. Leitplanken und Stoßfänger.
Für Fertigungsprozesse ist die Kenntnis dieser Eigenschaft wesentlich für die Implementierung von Qualitätskontrollmetriken.
Für Material- und Fertigungsingenieure werden solche Eigenschaften untersucht, um Materialschwächen und -beschränkungen für Verbesserungen und die Erforschung von Alternativen zu bewerten.