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Verschiedene Arten von mechanischen Materialeigenschaften

Die mechanischen Materialeigenschaften sind ein intensives Attribut einiger Materialien, d. h. es handelt sich um eine physikalische Eigenschaft, die von der Materialmenge unabhängig ist. Diese quantitativen Merkmale können als Maßstab für den Vergleich der Vorteile verschiedener Materialien herangezogen werden und helfen bei der Materialauswahl.

Eine Eigenschaft wie die Temperatur kann eine Funktion einer oder mehrerer unabhängiger Variablen oder eine Konstante sein. Anisotropie ist der Begriff für die Neigung der Eigenschaften eines Materials, abhängig von der Richtung des Materials, in der sie gemessen werden, in gewissem Maße zu schwanken. Materialqualitäten, die sich auf verschiedene physikalische Prozesse beziehen, verhalten sich in einem bestimmten Betriebsbereich häufig (oder annähernd) linear. Die konstitutiven Differentialgleichungen, die zur Beschreibung der Eigenschaft verwendet werden, können stark gestrafft werden, indem sie als lineare Funktionen modelliert werden.

Die Vorhersage der Eigenschaften eines Systems verwendet häufig Gleichungen, die wichtige Materialeigenschaften definieren. Unter Verwendung etablierter Testverfahren werden die Attribute gemessen. Viele dieser Techniken wurden von ihren jeweiligen Benutzergemeinschaften aufgeschrieben und online veröffentlicht; siehe ASTM International.

In diesem Artikel werden wir uns mit den verschiedenen Arten von mechanischen Materialeigenschaften befassen

Was sind die häufigsten mechanischen Materialeigenschaften?

Produktdesigner können die Informationen aus einer Beschreibung einiger typischer mechanischer und physikalischer Eigenschaften verwenden, um ihnen bei der Auswahl der richtigen Materialien für eine bestimmte Anwendung zu helfen. Im Folgenden sind die mechanischen Eigenschaften der Materialtypen aufgeführt:

Leitfähigkeit

Wie viel Wärme ein Material durchdringt, lässt sich anhand seiner Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Sie wird in einem Grad pro Längeneinheit, Querschnittsfläche und Zeit ausgedrückt. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit können als Wärmesenken verwendet werden, während Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit als Isolatoren verwendet werden können.

Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit wären für die Verwendung in Systemen wie Wärmetauschern oder Kühlsystemen geeignet. Obwohl Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden können, benötigen Hochtemperaturkomponenten häufig Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, daher ist es wichtig, die Umwelt zu verstehen.

Ähnlich wie die Wärmeleitfähigkeit misst die elektrische Leitfähigkeit die Menge an Elektrizität, die durch ein Material mit bekanntem Querschnitt und bekannter Länge fließt.

Korrosionsbeständigkeit

Die Fähigkeit eines Materials, einem natürlichen chemischen oder elektrochemischen Angriff durch Luft, Feuchtigkeit oder andere Elemente zu widerstehen, wird als Korrosionsbeständigkeit bezeichnet. Es gibt zahlreiche Arten von Korrosion, einschließlich Korngrenzenkorrosion, Trennung, galvanische Reaktion und Lochfraß (von denen viele in anderen Newsletter-Ausgaben besprochen werden).

Basierend auf einer linearen Extrapolation der Eindringung, die im Laufe eines bestimmten Tests oder Dienstes auftritt, kann die Korrosionsbeständigkeit als die größte Tiefe in Mil definiert werden, bis zu der die Korrosion in einem Jahr eindringen könnte. Während bestimmte Materialien von der Zugabe von Plattierungen oder Beschichtungen profitieren, sind andere von Natur aus korrosionsbeständig. Viele Metalle, die zu korrosionsbeständigen Metallen gehören, sind immer noch anfällig für die besonderen Umweltfaktoren, die in den Umgebungen vorhanden sind, in denen sie eingesetzt werden.

Dichte

Die Masse der Legierung pro Volumeneinheit wird als Dichte bezeichnet, die häufig in Pfund pro Kubikzoll, Gramm pro Kubikzentimeter usw. angegeben wird. Das Gewicht eines Bauteils einer bestimmten Größe hängt von der Dichte der Legierung ab.

In Branchen, in denen es auf Gewicht ankommt, wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie, ist diese Komponente von entscheidender Bedeutung. Weniger dichte Legierungen können von Ingenieuren gesucht werden, die leichtere Komponenten wünschen, aber sie müssen auch das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht berücksichtigen. Wenn ein Stoff mit höherer Dichte, wie z. B. Stahl, eine größere Festigkeit bietet als einer mit geringerer Dichte, könnte dieser Werkstoff gewählt werden. Ein dünnerer Teil könnte verwendet werden, um die höhere Dichte durch Verwendung von weniger Material auszugleichen.

Dehnbarkeit/Formbarkeit

Die Duktilität eines Materials ist seine Fähigkeit, sich plastisch zu dehnen oder zu biegen, ohne zu brechen, und die neue Form beizubehalten, nachdem die Belastung entfernt wurde. Stellen Sie sich vor, Sie könnten ein bestimmtes Metall zu einem Draht dehnen.

In einem Zugversuch wird die Duktilität häufig als Prozentsatz der Dehnung oder der Verringerung der Querschnittsfläche der Probe vor dem Versagen berechnet. Der Elastizitätsmodul, oft auch Elastizitätsmodul genannt, ist ein entscheidendes Spannungs-Dehnungs-Verhältnis, das in zahlreichen Konstruktionsberechnungen verwendet wird und durch einen Zugversuch ermittelt werden kann. Duktile Materialien eignen sich aufgrund ihrer Tendenz, unter Belastung nicht zu reißen oder zu brechen, für andere Metallbearbeitungsverfahren wie Walzen oder Ziehen. Metall neigt dazu, durch einige zusätzliche Behandlungen, wie z. B. Kaltverformung, weniger duktil zu werden.

Die Fähigkeit eines Metalls, geformt zu werden, ohne zu brechen, wird als Formbarkeit bezeichnet, eine physikalische Eigenschaft. Unter Druck, auch Druckspannung genannt, wird das Material zu dünneren Blechen gewalzt oder gepresst. Materialien mit hoher Verformbarkeit können einem höheren Druck standhalten, ohne zu reißen.

Elastizität/Steifigkeit

Wenn eine Verformungskraft entfernt wird, wird die Fähigkeit eines Materials, seine frühere Größe und Form wiederzuerlangen, als seine elastische Eigenschaft bezeichnet. Elastische Materialien kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Belastung gelöst wird, im Gegensatz zu Materialien, die Plastizität aufweisen (bei denen die Formänderung irreversibel ist).

Der Elastizitätsmodul, der das Verhältnis zwischen Spannung (ausgeübte Kraft) und Dehnung kontrastiert, wird häufig verwendet, um die Steifigkeit eines Metalls (die resultierende Verformung) zu beurteilen. Je höher der Modul, desto steifer ist das Material, da eine höhere Spannung proportional weniger Verformung verursacht. Gummi ist ein Material, das eine geringe Steifheit/einen niedrigen Modul aufweist, während Glas ein Beispiel für ein steifes/hohes Modul-Material ist. Für Anwendungen, bei denen Steifigkeit unter Last erforderlich ist, ist dies ein entscheidender Konstruktionsaspekt.

Bruch/Zähigkeit

Die Stoßfestigkeit eines Materials wird durch seine Stoßfestigkeit bestimmt. Im Allgemeinen ist die Aufprallwirkung einer schnell stattfindenden Kollision größer als die Auswirkung einer allmählich aufgebrachten geringeren Kraft.

Wenn die Anwendung eine hohe Schlaggefahr beinhaltet, sollte daher die Schlagfestigkeit berücksichtigt werden. Während einige Metalle unter statischen Belastungen zufriedenstellend funktionieren können, führen dynamische Belastungen oder Kollisionen dazu, dass sie versagen. Im Labor wird häufig der Charpy-Test verwendet, bei dem eine Probe mit einem gewichteten Pendel auf die andere Seite einer bearbeiteten V-Kerbe geschlagen wird, um die Schlagkraft zu messen.

Härte

Die Fähigkeit eines Materials, dauerhaften Eindrücken standzuhalten, wird als Härte (d. h. plastische Verformung) bezeichnet. Normalerweise steigt die Fähigkeit eines Materials, Verschleiß oder Verformung zu widerstehen, mit seiner Härte. Daher kann sich der Begriff „Härte“ auch auf die lokale Oberflächensteifigkeit eines Materials oder seine Schnitt-, Kratz- oder Abriebfestigkeit beziehen.

Brinell-, Rockwell- und Vicker-Methoden zur Messung der Härte messen die Fläche und Tiefe der Vertiefung, die durch ein härteres Material wie eine Stahlkugel, einen Diamanten oder einen anderen Eindringkörper verursacht wird.

Plastizität

Das Gegenteil von Elastizität, Plastizität, bezieht sich auf die Neigung eines Materials, seine veränderte Form beizubehalten, wenn es Umformkräften ausgesetzt wird. Es ist die Eigenschaft, die es ermöglicht, Materialien in eine dauerhaft neue Form zu manipulieren. An der Streckgrenze ändert sich das Verhalten eines Materials von elastisch zu plastisch.

Stärke, Ermüdung

Bei wiederholter oder wechselnder Belastung (z. B. Be- oder Entlastung) mit einem Maximalwert, der unter der Zugfestigkeit des Materials liegt, kann Ermüdung zum Bruch führen. Es besteht eine Korrelation zwischen Belastung und Zyklen bis zum Versagen, wobei höhere Belastungen die Zeit bis zum Versagen beschleunigen und umgekehrt. Daher bezieht sich der Begriff „Ermüdungsgrenze“ auf die maximale Belastung, der das Metall (die Variable) während einer bestimmten Anzahl von Zyklen standhalten kann.

Die Ermüdungslebensdauer hingegen legt die Belastung fest und zählt die Anzahl der Belastungszyklen, die ein Material aushalten kann, bevor es versagt. Bei der Konstruktion von Bauteilen, die wiederkehrenden Belastungen ausgesetzt sind, ist die Ermüdungsfestigkeit ein entscheidender Faktor, der berücksichtigt werden muss.

Stärke – Scherung

Bei Anwendungen wie Bolzen oder Trägern, bei denen sowohl die Richtung als auch die Amplitude der Spannung entscheidend sind, spielt die Scherfestigkeit eine Rolle. Wenn gerichtete Kräfte dazu führen, dass die körnige Ebene der inneren Struktur des Metalls gegen sich selbst gleitet, tritt Scherung auf.

Zugfestigkeit

Die Zug- oder Bruchfestigkeit ist eines der beliebtesten Maße für Metalleigenschaften. Die Höhe der Belastung, der ein Metallsegment standhalten kann, bevor es bricht, wird als Zugfestigkeit bezeichnet. Durch den Bereich der elastischen Verformung dehnt sich das Metall während der Labortests, bevor es in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Es behält die gestreckte Form auch nach dem Entfernen der Belastung, wenn es den Punkt der bleibenden oder plastischen Verformung erreicht (gemessen als Nachgiebigkeit). Die Belastung führt schließlich dazu, dass das Metall am Zugpunkt bricht. Diese Messung hilft bei der Unterscheidung zwischen spröden und duktileren Materialien. Mega Pascal (MPa) oder Pfund pro Quadratzoll sind Einheiten, die verwendet werden, um die Zug- oder Zugfestigkeit auszudrücken.

Stärke, Ertrag

Die Streckgrenze beschreibt den Punkt, an dem das Material unter Belastung nicht mehr in seine ursprüngliche Position oder Form zurückkehrt. Es ähnelt in Konzept und Messung der Zugfestigkeit. Die plastische Verformung folgt der elastischen Verformung.

Um die Grenzen der Maßhaltigkeit unter Belastung zu verstehen, beinhalten Konstruktionsberechnungen die Streckgrenze. Ähnlich wie die Zugfestigkeit wird die Streckgrenze in Pfund pro Quadratzoll oder Newton pro Quadratmillimeter (MPa) ausgedrückt.

Zähigkeit

Die Zähigkeit, bestimmt durch den Charpy-Schlagtest und vergleichbar mit der Schlagfestigkeit, misst die Fähigkeit eines Materials, Stößen zu widerstehen, ohne bei einer bestimmten Temperatur zu brechen. Materialien können bei niedrigen Temperaturen spröder werden, da die Schlagfestigkeit in dieser Zeit häufig schwächer ist.

Wenn bei der Anwendung die Möglichkeit niedriger Temperaturen besteht (z. B. Offshore-Ölplattformen, Ölpipelines usw.) oder wenn eine sofortige Belastung ein Faktor ist, werden häufig Charpy-Werte für Eisenlegierungen vorgeschrieben (z. B. ballistische Eindämmung in Militär- oder Flugzeuganwendungen). .

Verschleißfestigkeit

Die Fähigkeit eines Materials, dem Aufprall zweier aneinander reibender Materialien standzuhalten, wird als Verschleißfestigkeit bezeichnet. Dazu gehören Adhäsion, Abrieb, Kratzen, Aushöhlen, Abrieb und andere Formen des Reißens.

Wenn die Materialien unterschiedliche Härten aufweisen, kann das weichere Metall zuerst die Folgen zeigen, und es können Designentscheidungen getroffen werden, um dies anzugehen. Aufgrund des Vorhandenseins von Fremdmaterialien kann selbst das Rollen zu Abrieb führen. Die Menge an Masse, die für eine bestimmte Anzahl von Abriebzyklen bei einer bestimmten Belastung verloren geht, kann verwendet werden, um die Verschleißfestigkeit zu quantifizieren.

Andere mechanische Eigenschaften von Materialien

Im Folgenden sind einige andere mechanische Eigenschaften von Materialien aufgeführt:

Elektrische Eigenschaften

Magnetische Eigenschaften

Akustische Eigenschaften

Thermische Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Atomeigenschaften

Optische Eigenschaften

Herstellungseigenschaften

Radiologische Eigenschaften

Zusammenfassung

Bei jedem Produktionsdesign ist die Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials sehr wichtig. Wie Sie aus der oben aufgeführten Liste entnehmen können, gibt es enorme Eigenschaften, die von Materialien erhalten werden können. Die häufigsten Eigenschaften werden jedoch als physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften klassifiziert.

Das ist alles für diesen Artikel, in dem die üblichen Arten von mechanischen Eigenschaften von Materialien diskutiert werden. Ich hoffe, Sie haben viel von der Lektüre mitgenommen, wenn ja, teilen Sie sie bitte mit anderen. Danke fürs Lesen, bis bald!


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