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Werkstoffkunde 1 (Subject) / Mechanische Eigenschaften I und II (Lesson)
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- Nenn-Spannung σ σ beschreibt die effektive Kraft, die auf die Ausgangsfläche eines Werkstoffes wirkt σ=Kraft pro Ausgangsfläche
- Nenn-Dehnung ε ε beschreibt die Längenänderung pro Ausgangslänge
- Normalspannung - Zug-und Druckversuch Spannungsvektor senkrecht auf Querschnittsfläche Zugversuch: Querschnitt eines Stabes verringert sich Druckversuch: Querschnitt eines Stabes vergrößert sich
- Schubspannung τ=F/A
- Mechanische Eigenschaften werden bestimmt durch Struktur und Gefüge Struktur: atomarer Aufbau --> amorph, kristallin Gefüge: Art, Anzahl, anordnung und Ausrichtung der Gitterbaufehler
- Mechanische Beanspruchung - reversible und irreversible Formänderung reversible Verformung: Energie-elastisch oder entropie-elastische Vorgänge irreversible Verformung: Plastische oder viskose Prozesse
- Energie-Elastizität/Entropie Elastizität F= U - T * S dF/dl = dU/dl - T * dS/dl Energie-Elastizität Entropie-Elastizität
- Elastizität: Verhältnis von Spannung zu Dehnung Hooksches Gesetz: σ = E * ε linear elastisch
- Reversible Formänderung E-Modul: Keramik > Metall > Polymer
- E-Modul wichtiger Metalle Fe = 215 GPa Al = 72 GPa Ti = 90 GPa Mg = 42 GPa
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- Entropie-Elastizität nicht-linear elastisch E = E(ε)
- Anelastizität anelastisch: zeitabhängige Verformung Umwandlung mechanischer Energie in Wärme gute Schwingungsdämpfung
- Visio-Elastizität visko-elastisch: elastische Verformung + viskoses Fließen nicht vollständig reversibel !!!
- E-Modul σ = E * ε
- Schubmodul (G) τ = G * γ
- Kompressionsmodul (K) P = -K∇
- Poissonsche Zahl (v) (Querkontraktionszahl) v = -εX/εZ
- Spannung-Dehnungs-Diagramm Re= Elastizitätsgrenze Rp0,01=technische Elastizitätsgrenze Rp0,2= Streck- oder Fließgrenze bei 0,2% Dehngrenze Rm=Zugfestigkeit Ag=Gleichmaßdehnung A=Duktiliät εel,max=max. elastische Dehnung εB=Bruchdehnung σB=Bruchspannung
- Steifigkeit Widerstand gegen elastische Verformung
- Festigkeit Widerstand gegen plastische Verformung (Rp0,2,Re,Rm)
- Zähigkeit Vermögen zur plastischen Verformung (A)
- Hart / Weich hohes / niedriges Rp0,2
- Steif / Nachgiebig hoher / niedriger E-Modul
- Duktil /Spröde nennenswerte / geringe plastische Verformung vor dem Bruch
- Fest / Weich hohe / niedrige Zugfestigkeit Rm
- Härtungsmechanismen: Kaltverfestigung Einbau zusätzlicher Versetzungen
- Härtungsmechanismen: Mischkristallhärtung Einbau von Substitutions- oder Zwischengitteratomen
- Härtungsmechanismen: Teilchenhärtung/Ausscheidungshärtung Erzeugung von Gemischen aus zwei oder mehrerer Phasen
- Härtungsmechanismen: Feinkornhärtung Erzeugung zusätzlicher Korngrenzen
- Kaltverfestigung 1. Belastung der Probe bis über die Streckgrenze 2. Wiederholung der Belastung bewirkt eine kontinuierliche Zunahme der Festigkeit und Abnahme der Duktilität E-Modul bleibt gleich währen Re zunimmt spröder Endzustand
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- Mischkristallhärtung Verzerrung der Gitterstruktur, Bewegung von Versetzungen wird erschwert Zunehmende Größendifferenz und wachsender Anteil der Legierungselemente: -> Zunahme des Effektes der Mischkristallverfestigung -> Erhöhung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte -> Abnahme der Duktilität gegenüber dem reinen Metall
- Teilchenhärtung - Ausscheidungshärtung Teilchen und Matrix sind kohärent --> Versetzung kann auf Gleitebene das Teilchen durchlaufen
- Feinkornhärtung Störung der Gitterstruktur durch Flächendefekte (Korngrenzen) Versetzungsbewegung wird durch Korngrenzen blockiert Anstauung und Überlagerung der Spannungsfelder der Versetzungen Plastische Verformung wird in das Nachbarkorn übertragen je kleiner die Korngröße, desto größer die Korngrenzenfläche, die die Versetzungsbewegung erschwert Abhängigkeit der Streckgrenze Rp0,2 vom Korndurchmesser
- Bruchvorgang Bruch -> Rissbildung: Trennung weniger atomarer Bindungen an ungünstigen Gefügestellen ->Rissausbreitung:an Rissspitze ablaufende Spalt- oder Gleitvorgänge-> Werkstofftrennung Risse -> Fertigungsrisse: durch Eigenspannungen -> Belastungsrisse: Gewaltbruch, Dauerbruch, Kriechbruch
- Bruch makroskopische Trennung eines Festkörpers durch Überwindung der Bindungen -> Sprödbruch und Zähbruch