Der Zugfestigkeitstest wird hauptsächlich verwendet, um die Widerstandsfähigkeit metallischer Werkstoffe gegen Beschädigungen während des Dehnungsprozesses zu bestimmen und ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen.
1. Zugversuch
Der Zugversuch basiert auf den Grundprinzipien der Werkstoffmechanik. Durch die Zugbelastung der Materialprobe unter bestimmten Bedingungen entsteht eine Zugverformung, die bis zum Bruch der Probe führt. Während des Versuchs werden die Verformung der Versuchsprobe unter verschiedenen Belastungen und die maximale Belastung beim Bruch der Probe aufgezeichnet, um die Streckgrenze, Zugfestigkeit und weitere Leistungsindikatoren des Materials zu berechnen.
Spannung σ = F/A
σ ist die Zugfestigkeit (MPa)
F ist die Zuglast (N)
A ist die Querschnittsfläche der Probe
2. Zugkurve
Analyse mehrerer Phasen des Dehnungsprozesses:
a. In der OP-Phase mit geringer Last steht die Dehnung in linearer Beziehung zur Last, und Fp ist die maximale Last, um die gerade Linie aufrechtzuerhalten.
b. Sobald die Belastung Fp überschreitet, beginnt die Zugkurve eine nichtlineare Beziehung anzunehmen. Die Probe tritt in die anfängliche Verformungsphase ein, die Belastung wird entfernt und die Probe kann in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und sich elastisch verformen.
c. Nachdem die Last Fe überschritten hat, wird die Last entfernt, ein Teil der Verformung wird wiederhergestellt und ein Teil der Restverformung bleibt erhalten. Dies wird als plastische Verformung bezeichnet. Fe wird als Elastizitätsgrenze bezeichnet.
d. Bei weiterer Belastungssteigerung zeigt die Zugkurve einen Sägezahnverlauf. Bei gleichbleibender Belastung spricht man von einer kontinuierlichen Dehnung der Versuchsprobe als Fließen. Nach dem Fließen beginnt die Probe deutlich plastisch zu verformen.
e. Nach dem Fließen zeigt die Probe eine Zunahme des Verformungswiderstands, eine Kaltverfestigung und eine Verformungsverstärkung. Wenn die Belastung Fb erreicht, schrumpft derselbe Teil der Probe stark. Fb ist die Festigkeitsgrenze.
f. Das Schrumpfphänomen führt zu einer Verringerung der Tragfähigkeit der Probe. Wenn die Last Fk erreicht, bricht die Probe. Dies wird als Bruchlast bezeichnet.
Streckgrenze
Die Streckgrenze ist der maximale Spannungswert, dem ein metallischer Werkstoff vom Beginn der plastischen Verformung bis zum vollständigen Bruch unter Einwirkung äußerer Kräfte standhalten kann. Dieser Wert markiert den kritischen Punkt, an dem das Material von der elastischen zur plastischen Verformung übergeht.
Einstufung
Obere Streckgrenze: bezeichnet die maximale Spannung der Probe, bevor beim Fließen die Kraft zum ersten Mal abfällt.
Untere Streckgrenze: Bezieht sich auf die Mindestspannung in der Streckphase, wenn der anfängliche Übergangseffekt ignoriert wird. Da der Wert der unteren Streckgrenze relativ stabil ist, wird er üblicherweise als Indikator für die Materialbeständigkeit verwendet und als Streckgrenze oder Streckgrenze bezeichnet.
Berechnungsformel
Für die obere Streckgrenze gilt: R = F / Sₒ, wobei F die maximale Kraft ist, bevor die Kraft in der Streckphase zum ersten Mal abfällt, und Sₒ die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist.
Bei niedrigerer Streckgrenze: R = F / Sₒ, wobei F die Mindestkraft F ist, bei der der anfängliche Übergangseffekt außer Acht gelassen wird, und Sₒ die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist.
Einheit
Die Einheit der Streckgrenze ist üblicherweise MPa (Megapascal) oder N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter).
Beispiel
Nehmen wir beispielsweise kohlenstoffarmen Stahl. Seine Streckgrenze liegt üblicherweise bei 207 MPa. Bei einer äußeren Krafteinwirkung, die diese Grenze überschreitet, verformt sich kohlenstoffarmer Stahl dauerhaft und kann nicht wiederhergestellt werden. Bei einer äußeren Krafteinwirkung, die diese Grenze unterschreitet, kann kohlenstoffarmer Stahl in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Die Streckgrenze ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe. Sie spiegelt die Fähigkeit von Werkstoffen wider, plastischer Verformung zu widerstehen, wenn sie äußeren Kräften ausgesetzt werden.
Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit ist die Widerstandsfähigkeit eines Materials unter Zugbelastung. Sie wird als maximaler Spannungswert ausgedrückt, dem das Material während des Zugprozesses standhalten kann. Übersteigt die Zugspannung die Zugfestigkeit, verformt sich das Material plastisch oder bricht.
Berechnungsformel
Die Berechnungsformel für die Zugfestigkeit (σt) lautet:
σt = F / A
Dabei ist F die maximale Zugkraft (Newton, N), der die Probe standhalten kann, bevor sie bricht, und A ist die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe (Quadratmillimeter, mm²).
Einheit
Die Einheit der Zugfestigkeit ist üblicherweise MPa (Megapascal) oder N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter). 1 MPa entspricht 1.000.000 Newton pro Quadratmeter, was wiederum 1 N/mm² entspricht.
Einflussfaktoren
Die Zugfestigkeit wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur, der Wärmebehandlungsprozess, die Verarbeitungsmethode usw. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Zugfestigkeiten, daher ist es in praktischen Anwendungen erforderlich, geeignete Materialien basierend auf den mechanischen Eigenschaften der Materialien auszuwählen.
Praktische Anwendung
Die Zugfestigkeit ist ein sehr wichtiger Parameter in der Materialwissenschaft und -technik und wird häufig zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen herangezogen. Bei der Konstruktionsplanung, der Materialauswahl und der Sicherheitsbewertung ist die Zugfestigkeit ein Faktor, der berücksichtigt werden muss. Im Bauwesen beispielsweise ist die Zugfestigkeit von Stahl ein wichtiger Faktor für die Belastbarkeit; in der Luft- und Raumfahrt ist die Zugfestigkeit leichter und hochfester Werkstoffe entscheidend für die Sicherheit von Flugzeugen.
Dauerfestigkeit:
Unter Metallermüdung versteht man den Vorgang, bei dem sich bei Werkstoffen und Bauteilen unter zyklischer Beanspruchung oder zyklischer Beanspruchung an einer oder mehreren Stellen allmählich lokale, dauerhafte Schädigungen anhäufen und nach einer bestimmten Zyklenzahl Risse oder plötzliche vollständige Brüche auftreten.
Merkmale
Plötzlichkeit: Metallermüdungsbrüche treten häufig plötzlich innerhalb kurzer Zeit und ohne offensichtliche Anzeichen auf.
Lokalität in der Position: Ermüdungsbrüche treten normalerweise in lokalen Bereichen auf, in denen die Spannung konzentriert ist.
Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen und Defekten: Metallermüdung reagiert sehr empfindlich auf Umgebungsbedingungen und winzige Defekte im Inneren des Materials, die den Ermüdungsprozess beschleunigen können.
Einflussfaktoren
Spannungsamplitude: Die Stärke der Spannung wirkt sich direkt auf die Lebensdauer des Metalls aus.
Durchschnittliche Spannungsgröße: Je größer die durchschnittliche Spannung, desto kürzer ist die Ermüdungslebensdauer des Metalls.
Anzahl der Zyklen: Je öfter das Metall zyklischer Spannung oder Beanspruchung ausgesetzt ist, desto schwerwiegender ist die Ansammlung von Ermüdungsschäden.
Vorbeugende Maßnahmen
Optimieren Sie die Materialauswahl: Wählen Sie Materialien mit höheren Dauerfestigkeitsgrenzen.
Reduzierung der Spannungskonzentration: Reduzieren Sie die Spannungskonzentration durch strukturelles Design oder Verarbeitungsmethoden, z. B. durch die Verwendung abgerundeter Eckübergänge, die Vergrößerung der Querschnittsabmessungen usw.
Oberflächenbehandlung: Polieren, Besprühen usw. der Metalloberfläche, um Oberflächendefekte zu reduzieren und die Dauerfestigkeit zu verbessern.
Inspektion und Wartung: Überprüfen Sie Metallkomponenten regelmäßig, um Defekte wie Risse rechtzeitig zu erkennen und zu reparieren. Warten Sie ermüdungsanfällige Teile, indem Sie beispielsweise abgenutzte Teile ersetzen und schwache Verbindungen verstärken.
Metallermüdung ist eine häufige Versagensart bei Metallen, die durch Plötzlichkeit, Lokalität und Umweltempfindlichkeit gekennzeichnet ist. Spannungsamplitude, durchschnittliche Spannungshöhe und Zyklenzahl sind die Hauptfaktoren, die die Metallermüdung beeinflussen.
SN-Kurve: beschreibt die Ermüdungslebensdauer von Materialien unter verschiedenen Spannungsniveaus, wobei S die Spannung und N die Anzahl der Spannungszyklen darstellt.
Formel für den Dauerfestigkeitskoeffizienten:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Dabei ist (Ka) der Belastungsfaktor, (Kb) der Größenfaktor, (Kc) der Temperaturfaktor, (Kd) der Oberflächenqualitätsfaktor und (Ke) der Zuverlässigkeitsfaktor.
Mathematisch-nüchterner Ausdruck für die Wöhlerkurve:
(\sigma^m N = C)
Dabei ist (\sigma) die Spannung, N die Anzahl der Spannungszyklen und m und C Materialkonstanten.
Berechnungsschritte
Bestimmen Sie die Materialkonstanten:
Bestimmen Sie die Werte von m und C durch Experimente oder durch Bezugnahme auf die entsprechende Literatur.
Bestimmen Sie den Spannungskonzentrationsfaktor: Berücksichtigen Sie die tatsächliche Form und Größe des Teils sowie die durch Rundungen, Keilnuten usw. verursachte Spannungskonzentration, um den Spannungskonzentrationsfaktor K zu bestimmen. Berechnen Sie die Dauerfestigkeit: Berechnen Sie die Dauerfestigkeit anhand der SN-Kurve und des Spannungskonzentrationsfaktors in Kombination mit der Konstruktionslebensdauer und dem Arbeitsspannungsniveau des Teils.
2. Plastizität:
Plastizität bezeichnet die Eigenschaft eines Materials, sich bei äußerer Krafteinwirkung dauerhaft zu verformen, ohne zu brechen, wenn die äußere Kraft seine Elastizitätsgrenze überschreitet. Diese Verformung ist irreversibel, und das Material nimmt auch nach Wegfall der äußeren Kraft nicht seine ursprüngliche Form an.
Plastizitätsindex und seine Berechnungsformel
Dehnung (δ)
Definition: Die Dehnung ist der Prozentsatz der Gesamtverformung des Messabschnitts, nachdem die Probe durch Zug auf die ursprüngliche Messlänge gebrochen wurde.
Formel: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %
Wobei L0 die ursprüngliche Messlänge der Probe ist;
L1 ist die Messlänge nach dem Bruch der Probe.
Segmentale Reduktion (Ψ)
Definition: Die segmentale Reduktion ist der Prozentsatz der maximalen Verringerung der Querschnittsfläche an der Einschnürungsstelle, nachdem die Probe auf die ursprüngliche Querschnittsfläche gebrochen wurde.
Formel: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %
Wobei F0 die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe ist;
F1 ist die Querschnittsfläche an der Einschnürungsstelle nach dem Bruch der Probe.
3. Härte
Die Metallhärte ist ein mechanischer Eigenschaftsindex zur Messung der Härte von Metallmaterialien. Sie gibt die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verformungen im lokalen Volumen auf der Metalloberfläche an.
Klassifizierung und Darstellung der Metallhärte
Die Härte von Metallen kann je nach Prüfmethode auf unterschiedliche Weise klassifiziert und dargestellt werden. Dazu gehören hauptsächlich die folgenden:
Brinellhärte (HB):
Anwendungsbereich: Wird im Allgemeinen verwendet, wenn das Material weicher ist, wie z. B. Nichteisenmetalle, Stahl vor der Wärmebehandlung oder nach dem Glühen.
Prüfprinzip: Eine gehärtete Stahlkugel oder Hartmetallkugel mit einem bestimmten Durchmesser wird mit einer bestimmten Prüflast in die zu prüfende Metalloberfläche eingedrückt, nach einer festgelegten Zeit wird die Last entlastet und der Durchmesser der Vertiefung auf der zu prüfenden Oberfläche gemessen.
Berechnungsformel: Der Brinellhärtewert ist der Quotient aus Belastung und Kugeloberfläche des Eindrucks.
Rockwellhärte (HR):
Anwendungsbereich: Wird im Allgemeinen für Materialien mit höherer Härte verwendet, beispielsweise Härte nach Wärmebehandlung.
Prüfprinzip: Ähnlich wie Brinellhärte, jedoch mit anderen Prüfköpfen (Diamant) und anderen Berechnungsmethoden.
Typen: Je nach Anwendung gibt es HRC (für Werkstoffe mit hoher Härte), HRA, HRB und weitere Typen.
Vickershärte (HV):
Anwendungsbereich: Geeignet für die Mikroskopanalyse.
Testprinzip: Drücken Sie mit einer Last von weniger als 120 kg und einem Diamant-Vierkantkegel-Eindringkörper mit einem Scheitelwinkel von 136° auf die Materialoberfläche und teilen Sie die Oberfläche der Materialeindringgrube durch den Lastwert, um den Vickers-Härtewert zu erhalten.
Leebhärte (HL):
Funktionen: Tragbarer Härteprüfer, einfach zu messen.
Testprinzip: Nutzen Sie den Rückprall, der durch den Kugelkopf nach dem Aufprall auf die Härteoberfläche erzeugt wird, und berechnen Sie die Härte durch das Verhältnis der Rückprallgeschwindigkeit des Stempels in 1 mm Entfernung von der Probenoberfläche zur Aufprallgeschwindigkeit.
Veröffentlichungszeit: 25. September 2024
