Mechanische Eigenschaften von Metallen und Stählen – Parameter, Kennzeichnungen und Prüfverfahren

Mechanische Eigenschaften von Metallen und Stahl Sie bestimmen das Verhalten eines Materials unter dem Einfluss von auf es einwirkenden Lasten. Sie ermöglichen unter anderem die Beurteilung seiner Eigenschaften. Festigkeit, Plastizität, Elastizität, Steifigkeit, Härte, Schlagfestigkeit, Dauerfestigkeit und BruchzähigkeitSie zählen zu den grundlegenden Kriterien, die bei der Auswahl von Werkstoffen für spezifische strukturelle und industrielle Anwendungen herangezogen werden.
Zu den am häufigsten gemeldeten Parametern gehören: Zugfestigkeit Rm, Streckgrenze Re oder Rp0,2, Bruchdehnung A, Brucheinschnürung Z, Elastizitätsmodul E, Schlagzähigkeit KV/KU und Härte HBW, HV und HRC.
Die Werte der mechanischen Eigenschaften hängen nicht allein von der Materialart ab. Sie werden auch von ihren Eigenschaften beeinflusst. chemische Zusammensetzung, Mikrostruktur, Lieferzustand, Wärmebehandlung KunststoffverarbeitungPrüftemperatur, Probenahmerichtung und Produktabmessungen.

Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Metallen und Stählen

Zugfestigkeit Rm

Zugfestigkeit Rm ist einer der grundlegenden Parameter zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines Materials. Er entspricht der höchsten technischen Spannung, die bei einem statischen Zugversuch erreicht wird.
Rm wird nach folgender Formel berechnet:
Rm = Fm / S₀
wobei:

• Rm - Zugfestigkeit,
• Fm – die größte im Test erreichte Kraft,
• S₀ – anfängliche Querschnittsfläche der Probe.

Der Rm-Wert wird meist in MPa angegeben , wobei 1 MPa = 1 N/mm². Rm sollte nicht mit der Spannung gleichgesetzt werden, die genau im Moment des Probenbruchs auftritt. Bei duktilen Werkstoffen kann die maximale Kraft erreicht werden, bevor es zur Einschnürung und schließlich zum Bruch kommt.

Streckgrenze Re, ReH und ReL

Fließgrenze bestimmt die Spannung, die mit dem Übergang eines Materials vom elastischen Verhalten zur permanenten plastischen Verformung verbunden ist.
Bei Werkstoffen, die ein ausgeprägtes Fließphänomen aufweisen, lassen sich folgende Feststellungen treffen:

• ReH – obere Fließgrenze,
• ReL – niedrigerer Ertragspunkt.

Sobald die Streckgrenze überschritten ist, kehrt das Material nach dem Entfernen der Last nicht vollständig zu seinen ursprünglichen Abmessungen zurück.

Konventionelle Streckgrenze Rp0,2

Nicht alle Werkstoffe weisen eine eindeutige Streckgrenze auf. In solchen Fällen werden unter anderem folgende Werkstoffe verwendet: konventionelle Streckgrenze Rp0,2.
Rp0,2 definiert die Spannung, die zu bleibende plastische Verformung von 0,2 % Längenmessung der Probe nach dem Entladen.
Dieser Parameter wird häufig unter anderem für Edelstähle, Nickellegierungen, Aluminiumlegierungen und andere Werkstoffe verwendet, für die die klassische Streckgrenze nicht eindeutig bestimmt werden kann.

Dehnung nach dem Bruch A

Dehnung nach dem Bruch A Der A-Wert ist einer der grundlegenden Parameter zur Bestimmung der Plastizität eines Materials. Er gibt die prozentuale bleibende Zunahme der Messlänge der Probe nach dem Bruch im Vergleich zur ursprünglichen Messlänge an.
Die Dehnung wird anhand der folgenden Formel berechnet:
A = ((L_u - L₀) / L₀) × 100 %
wobei:

• L₀ – anfängliche Messlänge der Probe,
• L_u – gemessene Länge nach dem Bruch.

Die Materialdokumentation kann verschiedene Dehnungsbezeichnungen enthalten, darunter A und historisch gebräuchliche Bezeichnungen wie A5. Werte, die durch unterschiedliche Messlängen angegeben werden, sollten nicht automatisch verglichen werden, ohne die Geometrie der Probe und die Testbedingungen zu berücksichtigen.

Z-Verengung

Z-Verengung Sie bestimmt die prozentuale Verringerung der Querschnittsfläche der Probe an der Bruchstelle. Zusammen mit der Dehnung A ist sie ein weiterer Parameter, der die Beurteilung der Fähigkeit des Materials zur plastischen Verformung vor dem Versagen ermöglicht.
Die Verengung wird anhand der folgenden Formel berechnet:
Z = ((S₀ - S_u) / S₀) × 100 %

Elastizitätsmodul E

Elastizitätsmodul EDer Elastizitätsmodul (Young-Modul) beschreibt die Steifigkeit eines Materials im linear-elastischen Bereich. Je höher der Wert des Young-Moduls ist, desto geringer ist die elastische Verformung bei einer gegebenen Spannung.
Der Elastizitätsmodul ist nicht gleichzusetzen mit der Festigkeit eines Materials. Ein Material kann einen hohen Rm-Wert aufweisen, ohne einen entsprechend höheren Elastizitätsmodul zu besitzen.

Poissonzahl ν

Die Querkontraktionszahl ν beschreibt das Verhältnis zwischen der Quer- und Längsdehnung eines Materials bei elastischer Dehnung oder Stauchung. Sie ist eine dimensionslose Größe.

Kirchhoffscher Modul G

Der Kirchhoff-Modul G , auch Schubmodul oder Schermodul genannt, definiert das Verhältnis zwischen Schubspannung und Schubverformung im elastischen Bereich.

Schlagzähigkeit und Bruchzähigkeit KV und KU

Der Schlagbiegeversuch ermittelt die Fähigkeit eines Materials, Energie bei plötzlicher Belastung aufzunehmen. Beim Charpy-Test werden Proben mit einer bestimmten Kerbform verwendet. Je nach Kerbform kommen verschiedene Kerben zum Einsatz, darunter: KV sowie KU.
Das Testergebnis wird üblicherweise ausgedrückt in J i bezeichnet die beim Bruch der Probe absorbierte Energie. Dieser Parameter ist besonders wichtig bei der Beurteilung von Werkstoffen, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, und von Strukturen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Materialhärte

Härte bestimmt den Widerstand des Materials gegen lokale Verformungen, die meist durch das Eindrücken eines Eindringkörpers hervorgerufen werden.
Zu den gebräuchlichsten Methoden zur Prüfung der Härte von Metallen gehören:

• H.B.W. – Brinellhärte,
• HV – Vickers-Härte,
• HRC – Rockwell-Härte auf der C-Skala,
• HRB – Rockwell-Härte auf der B-Skala,
• HK – Knoop-Härte.

Mit verschiedenen Methoden ermittelte Werte sind nicht direkt gleichwertig. Umrechnungstabellen können in bestimmten Fällen unter Berücksichtigung ihres Anwendungsbereichs und ihrer Grenzen verwendet werden.

Dauerfestigkeit

Materialermüdung ist ein Prozess, der unter dem Einfluss wiederholter oder variabler Belastungen zur Entstehung und Ausbreitung eines Risses führt. Ermüdungsbruch kann bereits bei Spannungen auftreten, die deutlich unterhalb der Zugfestigkeit Rm liegen.
Das Erschöpfungsleben wird unter anderem beeinflusst durch:

• den Wert und die Art der Belastung,
• Anzahl der Zyklen,
• Oberflächenbeschaffenheit
• Kerben und Spannungskonzentrationen
• Materialmikrostruktur
• Temperatur,
• Arbeitsumfeld.

Die Ermüdungseigenschaften von Werkstoffen werden häufig mithilfe von Wöhlerkurven (SN) dargestellt.

Widerstand gegen Rissbildung K_IC

Die Bruchzähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials mit einem Riss oder einer anderen Fehlstelle, weiterem Risswachstum zu widerstehen. Einer der bruchmechanischen Parameter ist K _{_IC} , der kritische Wert des Spannungsintensitätsfaktors im ebenen Dehnungszustand.

Druckfestigkeit

Die Druckfestigkeit beschreibt das Verhalten eines Materials unter Druckbelastung. Die Bedeutung dieses Parameters hängt von der Materialart ab. Bei spröden Werkstoffen kann sie zu den grundlegenden Festigkeitsparametern gehören, während duktile Metalle unter Druckbelastung erhebliche Verformungen erfahren können, ohne dass es zum klassischen Bruch der Probe kommt.

Biegefestigkeit

Die Biegefestigkeit beschreibt das Verhalten eines Materials unter einer Belastung, die eine Biegung verursacht. Biegeversuche werden unter anderem zur Bewertung von Werkstoffen, Schweißnähten und fertigen Bauteilen eingesetzt.

Scherfestigkeit

Scherkräfte entstehen, wenn Kräfte auf ein Material einwirken und Scherspannungen verursachen. Scherfestigkeit ist wichtig für Anwendungen wie Schrauben, Bolzen, Nieten und andere mechanische Verbindungselemente.

Materialkriechen

Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung eines Materials, die unter dem Einfluss von Langzeitspannungen, insbesondere bei erhöhter Temperatur, auftritt.
Bei Werkstoffen, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen vorgesehen sind, reicht der bei Raumtemperatur ermittelte Rm-Wert allein nicht aus, um die Eignung des Werkstoffs zu beurteilen.
Unter anderem werden folgende Aspekte analysiert:

• Kriechverformung,
• Zeit, Schluss zu machen.
• Kriechfestigkeit,
• Kriechgrenze,
• Abhängigkeit der Eigenschaften von Temperatur und Zeit.

Kriechparameter sind von besonderer Bedeutung für Werkstoffe, die in der Energieerzeugung, in Kesseln, Hochtemperaturleitungen, Turbinen und Industrieanlagen eingesetzt werden.

Elastizität, Plastizität, Duktilität und Sprödigkeit

Elastizität bedeutet die Fähigkeit eines Materials, nach dem Entfernen der Last zu seinen ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren, vorausgesetzt, das Material bleibt im elastischen Verformungsbereich.
Plastizität bedeutet die Fähigkeit eines Materials, dauerhaft verformt zu werden, ohne dabei seinen Zusammenhalt zu verlieren.
Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, vor dem Versagen eine erhebliche plastische Verformung zu erfahren.
Kruchość bedeutet die Tendenz eines Materials, bei relativ geringer plastischer Verformung zu brechen.
Diese Begriffe sind nicht mit Rm, Rp0,2 oder Härte austauschbar. Werkstoffe mit ähnlicher Zugfestigkeit können völlig unterschiedliche Duktilität, Schlagzähigkeit oder Bruchzähigkeit aufweisen.

Rm, Rp0,2 und A – wie liest man die mechanischen Eigenschaften von Stahl?

Materialkarten enthalten oft eine Reihe von Parametern:

• Rm - Zugfestigkeit,
• Rp0,2 – konventionelle Streckgrenze,
• A – Dehnung nach dem Bruch.

Diese Parameter beschreiben unterschiedliche Materialeigenschaften und sollten gemeinsam analysiert werden. Beispielsweise bedeutet Rm 900–1100 MPa, Rp0,2 min 700 MPa, A min 10 % , dass das Material die spezifizierte Zugfestigkeit und die spezifizierte Mindeststreckgrenze erreicht und die erforderliche Verformungsfähigkeit vor dem Bruch beibehält.

Der Einfluss der Wärmebehandlung auf die mechanischen Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Stahl gleicher Güteklasse können je nach verwendetem Material stark variieren. WärmebehandlungDurch Härten lassen sich Härte und Festigkeit deutlich erhöhen, gleichzeitig aber Duktilität und Schlagzähigkeit verringern. Anlassen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Härte, Festigkeit und Duktilität. Glühen hingegen kann unter anderem zu einer Verringerung der Härte, Spannungsabbau oder Veränderungen im Mikrogefüge des Werkstoffs führen.
Daher sollten die Werte der mechanischen Eigenschaften immer zusammen mit Lieferstatus und Materialbearbeitungshistorie.

Der Einfluss der Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Metallen verändern sich mit der Temperatur. Erhöhte Temperaturen können unter anderem zu einer Verringerung der Streckgrenze und Festigkeit, einer Änderung des Elastizitätsmoduls und dem Auftreten von signifikantem Kriechen führen.
Bei niedrigen Temperaturen können manche Werkstoffe eine verminderte Fähigkeit zur plastischen Verformung und eine erhöhte Anfälligkeit für Sprödbruch aufweisen. Daher sollten die Werte der mechanischen Eigenschaften in Bezug zu den Temperaturen gesetzt werden. die Temperatur, bei der sie bestimmt wurden.

Statischer Zugversuch an Metallen

Einer der wichtigsten Tests für mechanische Eigenschaften ist statischer ZugversuchWährend des Tests wird die Probe unter kontrollierten Bedingungen gedehnt, und das Gerät zeichnet die aufgebrachte Kraft und die Verformung auf.
Anhand der Ergebnisse lässt sich unter anderem Folgendes feststellen:

• Zugfestigkeit Rm,
• Streckgrenze Re,
• konventionelle Streckgrenze Rp0,2,
• Verlängerung A,
• Z-Verengung

Eine der grundlegenden Normen für Zugversuche an Metallen bei Raumtemperatur ist EN ISO 6892-1.

Mechanische Eigenschaften und Materialauswahl

Es gibt keine einzelne mechanische Eigenschaft, die allein darüber entscheidet, ob ein Werkstoff besser ist als ein anderer. Ein Werkstoff mit sehr hoher Zugfestigkeit kann eine unzureichende Schlagfestigkeit aufweisen. Ein sehr harter Werkstoff kann zu Sprödbrüchen neigen, und ein Werkstoff mit geringerer Festigkeit kann dann vorzuziehen sein, wenn hohe Duktilität oder Dauerfestigkeit erforderlich sind.
Bei der Materialauswahl sollten Sie daher unter anderem Folgendes analysieren:

• Stärke,
• Streckgrenze
• Plastizität,
• Härte,
• Schlagfestigkeit
• Ermüdungsbeständigkeit
• Beständigkeit gegen Rissbildung
• Arbeitstemperatur,
• Kriechfestigkeit,
• Umwelteinflüsse und Korrosionsbedingungen.

Mechanische Eigenschaften - Liste

• Zugfestigkeit Rm
• Streckgrenze Re, ReH und ReL
• Konventionelle Streckgrenze Rp0,2
• Erweiterung A und A5
• Z-Verengung
• Elastizitätsmodul E
• Poissonzahl ν
• Kirchhoffscher Modul G
• KV- und KU-Schlagfestigkeit – Charpy-Test
• Metallhärte – HBW, HRC, HRB, HV und Knoop
• Dauerfestigkeit und Materialermüdung
• Widerstand gegen Rissbildung K_IC
• Druckfestigkeit
• Biegefestigkeit
• Scherfestigkeit
• Kriechverhalten von Werkstoffen und mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen
• Statischer Zugversuch an Metallen
• Spannungs-Dehnungs-Kurve