Die richtige Metalllegierung wählen: Wichtige Festigkeitsaspekte für Produktdesigner

Was ist das ideale Metall (oder die Metalllegierung) für mein Projekt?

Produktdesigner stellen diese Frage häufig in der Produktentwicklungsphase. Und obwohl viele Faktoren zum Erfolg einer Metalllegierung für ein Produktentwicklungsprojekt beitragen, stehen die mechanischen Eigenschaften der Legierung (wie Metallfestigkeit) an erster Stelle.

Metallfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Metalls, Verformung (und Versagen) unter der Einwirkung verschiedener Kräfte (oder Belastungsbedingungen) zu widerstehen. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Metallfestigkeiten und mehrere Metriken, um sie zu messen. Hier besprechen wir alles, was Sie über die Festigkeit von Metallen und Metallfestigkeitsdiagramme wissen müssen.

Verschiedene Belastungsbedingungen verstehen

Um zu verstehen, was die Festigkeit von Metallen beinhaltet, müssen wir zuerst besprechen, wie Materialien auf Belastung durch aufgebrachte Kräfte oder Bewegung reagieren. Abbildung 1 ist eine Illustration eines typischen Stabes, der die verschiedenen grundlegenden Belastungsarten erfährt.

Bei Druckbelastung drücken zwei gleich große Kräfte in entgegengesetzte Richtungen auf den Stab, was ihn verdichtet. Wie bei der Druckbelastung weist auch die Zugbelastung zwei Kräfte auf, die in entgegengesetzte Richtungen wirken. Bei der Zugbelastung ziehen die Kräfte den Stab jedoch auseinander.

Biegebelastung tritt auf, wenn zwei Kräfte (in gleicher Richtung) in einem Abstand auf den Stab einwirken. Im Gegensatz dazu weist Scherbelastung Kräfte auf, die koplanar mit dem Querschnitt des Stabes sind – was bedeutet, sie wirken tangential zur konventionellen Belastungsachse.

Unabhängig von der Art der Belastung, die auf diesen Stab wirkt, können die Auswirkungen dieser externen Kräfte auf den Stab mit zwei Schlüsselparametern geschätzt werden – Spannung und Dehnung.

Was sind Spannung und Dehnung?

Spannung ist die Größe einer externen Kraft, die auf die Querschnittsfläche eines Körpers wirkt. Im Gegensatz dazu beschreibt Dehnung die Menge der Verformung, die der Körper in Richtung dieser Kraft erfährt.

Betrachten Sie es so: Angenommen, Sie üben eine vorgegebene Größe einer Zugkraft auf den kreisförmigen Querschnitt eines Aluminiumstabs aus. In einem solchen Szenario unterziehen Sie den Stab Zugspannung und verursachen innere Kräfte zwischen den Stabteilchen. Als Ergebnis bewirkt diese innere Kraft, dass sich die Teilchen des Stabs allmählich dehnen und verformen – was die Dehnung beschreibt.

Angenommen, Sie erhöhen die Zugkraft (oder Spannung) weiter, würden Sie bemerken, dass die Verformung zunimmt, bis das Material schließlich versagt oder bricht. Das Verhalten des Stabs vor dem Versagen hängt von den verschiedenen Arten der Metallfestigkeit ab, die er besitzt.

Was sind die Arten der Festigkeit?

Abbildung 2 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie ein Metallteil auf Zugspannung reagiert, bevor es versagt.

1. Streckgrenze

Die Streckgrenze bezeichnet die maximale Festigkeit, die ein Metall aushalten kann, bevor plastische Verformung eintritt – was eine dauerhafte Formänderung des Metalls ohne Bruch bedeutet.

2. Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit (auch als Zugfestigkeit bezeichnet) ist die maximale Zugspannung, die ein Metall aushalten kann, bevor es versagt (oder bricht). Sie können die Zugfestigkeit eines Metalls mit einer Zugprüfmaschine bewerten.

Die Zugprüfmaschine verfügt über zwei Keilgriffe, die ein Metallstück fest an beiden Enden halten. Die Maschine zieht während des Prüfprozesses langsam in Längsrichtung an dem Stück, bis es bricht. Die auf das Metall ausgeübte Zugkraft (oder Spannung) und die Dehnung werden während des Tests gemessen, um die Streck- und Zugfestigkeit des Metallstücks zu bestimmen.

Tabelle 1 stellt die Streckgrenze und Zugfestigkeit verschiedener gängiger Metalle dar, die Sie für Ihr Produktentwicklungsprojekt in Betracht ziehen könnten. Diese Werte wurden durch eine Reihe von Zugversuchen an verschiedenen Metallen ermittelt.

Tabelle 1: Metallfestigkeitsdiagramm

Aber die Festigkeit eines Metalls beschränkt sich nicht auf Streck- und Zugfestigkeit.

Weitere Arten der Metallfestigkeit

Druckfestigkeit: beschreibt die maximale Druckspannung, die ein Teil aushalten kann, bevor es versagt oder bricht. Sie können die Druckfestigkeit mit einer Druckprüfmaschine bewerten – was der Zugprüfvorrichtung ähnelt, except dass die Druckprüfvorrichtung das Teil komprimiert.

Schlagzähigkeit: beschreibt die Fähigkeit eines Metalls, plötzliche scharfe Lasten ohne Bruch (oder Versagen) zu widerstehen. Sie wird normalerweise in Form der Energiemenge ausgedrückt, die das Material vor dem Bruch aufnehmen kann, und kann mit einer Schlagprüfmaschine bestimmt werden.

Die Schlagprüfmaschine verfügt über ein Pendel, das ein Metallstück mit einer vorgegebenen Kraft so lange schlägt, bis es bricht. Die Energiemenge, die das Metall vor dem Versagen widerstehen kann, wird als Schlagzähigkeit des Metalls bestimmt.

Scherfestigkeit: beschreibt die maximale Scherlast, die ein Metall aushalten kann, bevor es im Scher versagt.

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Ideales Metall für Ihre Komponente wählen: Gensun kann helfen

Da Sie nun verstehen, was Metallfestigkeit beinhaltet, werden Sie zustimmen, dass die Wahl eines Metalls, das den verschiedenen Belastungsbedingungen standhält, die Ihr Produkt (oder Teil) erfahren wird, essenziell ist. Zusätzlich zur Wahl eines idealen Metalls müssen Sie jedoch auch sicherstellen, dass Ihre Metallteile präzise und genau mit modernsten Fertigungstechnologien bearbeitet werden.

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