Auswirkungen von Zug- und Druckkräften auf Metall

Die Festigkeit eines Metalls spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung von Produkten oder strukturellen Architekturen. Es gibt verschiedene Elemente für die Festigkeit eines Metalls, einschließlich Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte und Dichte. Zug- und Druckkräfte können sich auf die Höhe der Spannung oder des Drucks auswirken, die ein Metall aushalten kann, bevor es versagt, weshalb es wichtig ist, zu bestimmen, welche Materialstärke je nach erforderlicher Anwendung am besten funktioniert.

Zug- vs. Druckkräfte:Eine Kurzanleitung

Im Folgenden beschreiben wir kurz die Zug- und Druckkräfte in Metallen und schlüsseln auf, wie sie funktionieren und welche Auswirkungen sie auf verschiedene Metalle haben können.

Zugkraft in Metallen

Immer wenn sich ein Metall dehnt, steht es unter Zugkraft. Mathematisch ist Zugspannung gleich Kraft/Fläche. Die maximale Belastung, die ein Metall aushalten kann, stellt seine Zugfestigkeit dar.

Die Zugfestigkeit kann weiter in zwei Teile unterteilt werden:

• Streckgrenze: Bei äußerer Zugbelastung verformt sich das Metall elastisch und plastisch. Die Streckgrenze bezeichnet die Zugkraft, bis zu der ein Metall nach Wegnahme der Kraft seine ursprüngliche Form wiedererlangen kann.
• Ultimative Zugfestigkeit: Jenseits der Streckgrenze zeigt das Metall weiterhin eine plastische Verformung bis zu einem Punkt, bevor eine Einschnürung stattfindet. Diese Grenze ist als Reißfestigkeit bekannt. Kurz gesagt, es stellt die maximale Belastung dar, der ein Metall standhalten kann, ohne in zwei Teile zu zerbrechen.

Druckkraft in Metallen

Die Druckkraft stellt die maximale Kompression oder den maximalen Druck dar, den ein Metall aushalten kann, ohne zu brechen. Die Länge ist gegenüber dem ursprünglichen Maß verkürzt.

Es gibt sechs verschiedene Arten von Druckfehlermodi:

1. Knicken: Plötzliche seitliche Formänderung bei axialer Belastung
2. Scheren: Gleitversagen entlang der Richtung der aufgebrachten Kraft
3. Doppelter Lauf: Die Bildung von zwei Tonnen beim Verdichten hochprismatischer Körper ohne Außenzonen
4. Barrelling: Die Erzeugung einer konvexen Oberfläche auf der Außenseite eines Zylinders
5. Homogene Komprimierung: An der Kontaktfläche ist keine Reibung vorhanden
6. Druckinstabilität: Ausfall durch Arbeitserweichung des Metalls

Ein weit verbreitetes Verfahren zur Bestimmung der Druckfestigkeit ist die Härteprüfung nach Mohs.

Verschiedene Metalle unter Zug vs. Druckkräften

Der Maximalwert der Druckfestigkeit und Zugfestigkeit variiert zwischen Metallen. Einige Metalle zeigen eine außergewöhnliche Zugfestigkeit unter Spannung, während andere Metalle gut mit maximaler Druckkraft umgehen können. Daher erfordert der Vergleich von zwei Metallen unter Zug- und Druckkräften zunächst die Anerkennung der Anwendung des Metalls; erst dann wird es einfach, es mit anderen Metallen zu vergleichen.

Die folgende Tabelle vergleicht die Festigkeit, Härte und Dichte verschiedener Metalle:

Stahl hat eine höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze als Aluminium; Aluminium ist jedoch leicht und bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Stahl. Daher ist es wichtig, die Parameter zu studieren, wenn die Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden.

Außerdem kann ein Metall eine hohe Zugfestigkeit, jedoch eine geringe Druckfestigkeit und umgekehrt haben. Zum Beispiel ist die Druckfestigkeit von Gusseisen größer als seine Zugfestigkeit, aber bei Weichstahl ist es umgekehrt.

Spröde Materialien wie Gusseisen enthalten viele Hohlräume. Unter Zugbelastung wirken diese Hohlräume als Kerben, was zu einer hohen Rissausbreitung durch das Material führt. Aber unter einer Druckkraft werden diese Hohlräume geschlossen, wodurch jede Möglichkeit der Rissausbreitung zunichte gemacht wird.

Andererseits werden in duktilen Materialien unter der Last gebildete Risse leicht geschlossen, ohne sich durch das Material fortzupflanzen. Dadurch sind diese auf Zug und Druck gleich stark; sie neigen jedoch dazu, unter Scherbeanspruchung zu versagen.

Die Bedeutung des Verständnisses von Materialstärken

Druck- und Zugfestigkeit sind sehr wichtige Eigenschaften eines Metalls, wenn es um Konstruktionen geht. Bei jeder Konstruktion ist das Hauptziel, die plastische Verformung so gering wie möglich zu halten. In dieser Hinsicht kann der Elastizitätsmodul (als E bezeichnet) als Schlüsselparameter im Auswahlprozess angesehen werden.

Der Elastizitätsmodul ist eine weitere Möglichkeit, den Verformungsgrad eines Materials unter Zug oder Druck in Längsrichtung zu berechnen. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen Längsspannung und Dehnung. Je höher der Elastizitätsmodul, desto steifer das Material und desto geringer die elastische Verformung bei einer gegebenen aufgebrachten Last.

Wenn wir nun zum Beispiel ein Haus aus einem Metall mit einem niedrigen Elastizitätsmodul bauen, wird es sich unter einer Druckbelastung stark verformen; ein steiferes Metall würde eine wünschenswertere Reaktion geben.

Moderne Voltigierstangen sind ein gutes Beispiel dafür. Um die Leistung eines Athleten zu maximieren, sollte ein Sprungstab aus leichten Materialien bestehen, aber auch elastische Belastungen speichern, wenn sich der Stab biegt. Daher bestehen diese Stöcke aus Glasfaser (E =15 GPa) oder einer Mischung aus Glasfaser und Kohlefaser (E =500 GPa).

Der Elastizitätsmodul für einige der am häufigsten verwendeten Metalle ist unten dargestellt:

Kaufen Sie Metalle für jede Anwendung

Seit mehr als zwei Jahrzehnten bietet Industrial Metal Service kleinen Metallhändlern und -verarbeitern in der San Francisco Bay Area und darüber hinaus neue Metalle aus Werken und verifizierte Metallreste an. Unser umfangreiches Inventar umfasst Aluminium, Titan, Kupfer, Messing und Spezialmetalle wie Inconel und Hastelloy. Für diejenigen, die in der Nähe sind, nutzen Sie unseren Lieferservice. Wir können auch landesweit versenden für diejenigen, die keinen lokalen Metalllieferanten haben!