Die Metallfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit metallischer Werkstoffe, Verformungen und Beschädigungen bei Einwirkung äußerer Kräfte zu widerstehen. Sie ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Messung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe.
Definition und Klassifizierung der Metallfestigkeit
Die Festigkeit von Metallen kann je nach der Art der äußeren Krafteinwirkung in viele Typen unterteilt werden.
Zugfestigkeit (Reißfestigkeit):
Bezeichnet die maximale Zugkraft, die ein metallischer Werkstoff bei einem Zugversuch aushalten kann, also den maximalen Spannungswert, den die Probe während des Zugvorgangs erreicht, bis sie bricht. Die Zugfestigkeit ist die maximale Tragfähigkeit eines metallischen Werkstoffs unter statischen Zugbedingungen.
Druckfestigkeit:
Bezieht sich auf die maximale Widerstandsfähigkeit eines Metallmaterials gegen Beschädigungen unter Druck. Ähnlich wie Zugfestigkeit, aber die Kraftrichtung ist entgegengesetzt.
Biegefestigkeit:
Bezieht sich auf die Fähigkeit eines Metallmaterials, Schäden zu widerstehen, wenn es Biegekräften ausgesetzt wird. Es spiegelt die mechanischen Eigenschaften des Materials unter Biegebelastung wider.
Schiere Stärke:
bezieht sich auf die maximale Widerstandsfähigkeit eines Metallmaterials gegen Scherschäden unter Scherkraft. Scherkraft ist eine Kraft senkrecht zur Oberfläche des Materials, die ein relatives Gleiten im Inneren des Materials verursacht.
Dauerfestigkeit:
bezieht sich auf die maximale Spannung, die ein Metallmaterial aushalten kann, ohne innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zyklen (z. B. 10^7 Mal) zu brechen, wenn es Wechselspannung (oder Wechselbeanspruchung) ausgesetzt ist. Die Dauerfestigkeit ist ein wichtiger Leistungsindikator eines Materials unter Wechselbelastung.
Torsionsfestigkeit und Härte
Darüber hinaus gibt es weitere Festigkeitskennwerte wie beispielsweise die Torsionsfestigkeit und die Härte, die zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen dienen.
Faktoren, die die Metallfestigkeit beeinflussen
Die Kristallstruktur des Metalls:Die Korngröße, die Kristallorientierung und die Eigenschaften der Korngrenzen beeinflussen die Festigkeit des Metalls. Je kleiner die Korngröße und je mehr Korngrenzen vorhanden sind, desto höher ist normalerweise die Festigkeit des Metallmaterials.
Legierungselemente:Die Festigkeit von Metallwerkstoffen kann durch Zugabe von Legierungselementen erheblich verändert werden. Legierungselemente können die Kristallstruktur, Korngröße und Korngrenzeneigenschaften des Metalls verändern und dadurch die Festigkeit des Materials beeinflussen.
Kaltverformung und Wärmebehandlung:Kaltbearbeitung (wie Kaltwalzen, Kaltziehen usw.) kann die Festigkeit von Metallwerkstoffen erheblich verbessern, da Kaltbearbeitung Versetzungen verursachen und das Kornwachstum einschränken kann. Wärmebehandlung (wie Glühen, Abschrecken usw.) kann die Festigkeit von Metallwerkstoffen durch Änderung der Kristallstruktur anpassen.
Temperatur:Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit von Metallmaterialien. Bei hohen Temperaturen nimmt die Festigkeit von Metallen normalerweise ab, da die Kristallstruktur instabil wird. Bei niedrigen Temperaturen können einige Metalle jedoch eine hervorragende Festigkeit aufweisen, was als Niedertemperaturverfestigungseffekt bezeichnet wird.
Korngrenzen und Defekte:Korngrenzen sind Grenzflächen zwischen benachbarten Körnern, an denen Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der Atome auftreten. Korngrenzen können die Bewegung von Versetzungen behindern und so die Festigkeit von Werkstoffen erhöhen.
Darüber hinaus können auch Defekte (wie Einschlüsse, Hohlräume usw.) die Festigkeit metallischer Werkstoffe verringern.
Prüfverfahren für die Metallfestigkeit
Zugversuch:Die Metallprobe wird auf einer mechanischen Prüfmaschine gedehnt, bis sie bricht. Die Daten zu Kraft und Verformung der Probe werden aufgezeichnet, um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu erhalten. Der Elastizitätsmodul, die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und andere Parameter des Metalls können aus dieser Kurve berechnet werden.
Notiz:
Die Ergebnisse eines Metallzugversuchs werden üblicherweise durch eine Zugkurve ausgedrückt, die die Beziehung zwischen Belastung und Verformung der Probe während des Zugprozesses beschreibt. Die Zugkurve kann in die elastische Phase, die Streckphase, die Verstärkungsphase und die Einschnürungs- und Bruchphase unterteilt werden.
Elastische Phase:Im frühen Stadium der Dehnung erfährt die Probe eine elastische Verformung, d. h. wenn die äußere Kraft entfernt wird, kann die Probe in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. In diesem Stadium kann der Elastizitätsmodul des Materials gemessen werden.
Ertragsstadium:Wenn die Probe die Streckgrenze erreicht, beginnt eine plastische Verformung, das heißt, die Verformung ist irreversibel. Die Streckgrenze ist eine wichtige Grundlage für die Bewertung der Streckgrenze des Materials.
Kräftigungsphase:Nach der Streckphase tritt die Probe in die Verstärkungsphase ein, die Zugfestigkeit des Materials nimmt allmählich zu und die plastische Verformung entwickelt sich weiter.
Einschnürungs- und Bruchstadium:Wenn die Probe die Zugfestigkeitsgrenze erreicht, kommt es zu einer erheblichen lokalen Schrumpfung (Einschnürung) und dann bricht die Probe. Der Bruch ist das Endergebnis des Zugversuchs und eine wichtige Grundlage für die Bewertung der Zugeigenschaften des Materials.
Die Ergebnisse des Metallzugversuchs werden üblicherweise durch eine Zugkurve ausgedrückt, die das Last-Verformungs-Verhältnis der Probe während des Dehnungsprozesses beschreibt. Die Zugkurve kann in die elastische Phase, die Streckphase, die Verstärkungsphase und die Einschnürungs- und Bruchphase unterteilt werden.
