Wie Zug- und Druckkräfte die Metallfestigkeit beeinflussen

Die Festigkeit eines Metalls spielt eine wichtige Rolle beim Design von Produkten oder strukturellen Architekturen. Es gibt verschiedene Elemente der Metallfestigkeit, einschließlich Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte und Dichte. Zug- vs. Druckkräfte können einen Einfluss darauf haben, wie viel Spannung oder Druck ein Metall aushalten kann, bevor es versagt, weshalb es wichtig ist zu bestimmen, welche Materialfestigkeit je nach erforderlicher Anwendung am besten funktioniert.

Zug- vs. Druckkräfte: Ein kurzer Leitfaden

Im Folgenden beschreiben wir kurz Zug- und Druckkräfte in Metallen und erläutern, wie jede funktioniert und welche Auswirkungen sie auf verschiedene Metalle haben können.

Zugkraft in Metallen

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

Zugfestigkeit kann weiter in zwei Teile unterteilt werden:

• Streckgrenze: Wenn das Metall externer Zugbelastung ausgesetzt ist, durchläuft es elastische und plastische Verformung. Die Streckgrenze bezeichnet die Zugkraft, bis zu der ein Metall seine ursprüngliche Form zurückerlangt, sobald die Kraft entfernt wird.
• Höchste Zugfestigkeit: Jenseits des Streckpunkts zeigt das Metall weiterhin plastische Verformung bis zu einem Punkt vor der Einschnürung. Dieser Grenzwert wird als höchste Zugfestigkeit bezeichnet. Kurz gesagt, sie repräsentiert die maximale Spannung, die ein Metall aushalten kann, ohne in zwei Stücke zu brechen.

Druckkraft in Metallen

Druckkraft repräsentiert die maximale Kompression oder den Druck, den ein Metall aushalten kann, ohne zu brechen. Es tritt eine Längenreduktion im Vergleich zum ursprünglichen Maß auf.

Es gibt sechs verschiedene Arten von Druckversagensmodi:

1. Knicken: Plötzliche seitliche Formänderung unter axialer Last
2. Scheren: Gleitversagen entlang der Richtung der angewendeten Kraft
3. Doppeltonnenbildung: Bildung von zwei Tonnen während der Kompression hochprismatischer Körper ohne externe Zonen
4. Tonnenbildung: Erzeugung einer konvexen Oberfläche an der Außenseite eines Zylinders
5. Homogene Kompression: Keine Reibung an der Kontaktfläche vorhanden
6. Druckinstabilität: Versagen durch Erweichung des Metalls

Ein weit verbreiteter Test zur Bestimmung der Druckfestigkeit ist der Mohs-Härtetest.

Verschiedene Metalle unter Zug- vs. Druckkräften

Der Maximalwert von Druckfestigkeit und Zugfestigkeit variiert zwischen Metallen. Einige Metalle zeigen außergewöhnliche Zugfestigkeit unter Zug, während andere gut darin sind, maximale Druckkraft zu bewältigen. Daher erfordert der Vergleich zweier Metalle unter Zug- vs. Druckkräften zunächst die Berücksichtigung der Anwendung des Metalls; erst dann wird der Vergleich mit anderen Metallen einfach.

Das folgende Diagramm vergleicht Festigkeit, Härte und Dichte verschiedener Metalle:

Stahl hat höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze als Aluminium; jedoch ist Aluminium leicht und bietet bessere Korrosionsbeständigkeit als Stahl. Daher ist es wichtig, die Parameter bei der Berücksichtigung der Anwendungsanforderungen zu untersuchen.

Ein Metall kann auch hohe Zugfestigkeit, aber niedrige Druckfestigkeit haben und umgekehrt. Zum Beispiel ist die Druckfestigkeit von Gusseisen höher als seine Zugfestigkeit, bei Baustahl ist es umgekehrt.

Spröde Materialien wie Gusseisen enthalten viele Hohlräume. Unter Zugfestigkeit wirken diese Hohlräume als Kerben, was zu einer hohen Rissausbreitung durch das Material führt. Unter Druckkraft werden diese Hohlräume jedoch geschlossen, was jede Möglichkeit der Rissausbreitung zunichte macht.

Bei duktilen Materialien werden unter Last gebildete Risse leicht geschlossen, ohne sich durch das Material fortzupflanzen. Daher sind sie in Zug und Druck gleichermaßen fest; sie neigen jedoch dazu, unter Scherspannung zu versagen.

Die Bedeutung des Verständnisses von Materialfestigkeiten

Druck- und Zugfestigkeiten sind sehr wichtige Eigenschaften eines Metalls im Engineering-Design. Bei jedem Engineering-Design ist das Hauptziel, die plastische Verformung so gering wie möglich zu halten. In diesem Zusammenhang kann der E-Modul (bezeichnet als E) als Schlüsselparameter im Auswahlprozess betrachtet werden.

Der E-Modul ist eine weitere Möglichkeit, den Grad der Verformung eines Materials unter längsweiser Zug- oder Druckbelastung zu berechnen. Er ist definiert als das Verhältnis zwischen Längsspannung und Dehnung. Je höher der E-Modul, desto steifer das Material, und desto geringer die elastische Verformung für eine gegebene Last.

Wenn wir beispielsweise ein Haus aus einem Metall mit niedrigem E-Modul bauen, wird es unter Drucklast stark durchbiegen; ein steiferes Metall würde eine erwünschtere Reaktion geben.

Moderne Stabhochsprungstangen sind ein großartiges Beispiel dafür. Um die Leistung eines Athleten zu maximieren, sollte eine Stabhochsprungstange aus leichten Materialien bestehen, aber auch elastische Dehnung speichern, wenn sich die Stange biegt. Daher werden diese Stangen aus Glasfaser (E = 15 GPa) oder einer Mischung aus Glasfaser und Kohlefaser (E = 500 GPa) hergestellt.

Der E-Modul für einige der am häufigsten verwendeten Metalle ist unten dargestellt:

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