Erfahren Sie alles über Ertragsfestigkeit

Denken Sie an einen Metalllöffel. Wenn Sie leicht auf den Griff drücken, biegt es ein wenig, entspringt aber zurück, sobald Sie loslassen. Schieben Sie jedoch härter, und der Löffel nimmt eine dauerhafte Kurve auf. Zu diesem Zeitpunkt sind Sie an der Ertragsfestigkeit des Löffels vorbeigegangen. In diesem Artikel werden wir untersuchen, was Ertragsfestigkeit bedeutet, wie sie mit verwandten Ideen wie Zugfestigkeit und elastischer Grenze verglichen werden und warum es in der realen Welt wichtig ist. Wir werden auch die Faktoren untersuchen, die die Ertragsfestigkeit und die typischen Werte für gemeinsame Materialien beeinflussen.

Was ist Ertragsfestigkeit？

Die Ertragsfestigkeit ist der Spannungsniveau, bei dem ein Material dauerhaft zu verformen beginnt. In einfachen Worten ist es der Punkt, an dem ein Material nicht mehr zurückprallt (elastisches Verhalten) und sich auf eine Weise beugen oder dehnen, die nicht vollständig umgekehrt ist. Unterhalb der Streckgrenze kehrt das Material bei der Entfernung der Kraft in seine ursprüngliche Form zurück (wie eine Feder, die auf seine Länge zurückgeht).

Lassen Sie uns zwei Schlüsselbegriffe aufschlüsseln: Stress und Belastung. Spannung ist die Kraft, die auf ein Material geteilt wird, das durch seinen Querschnittsbereich geteilt ist, oder einfach die Kraftintensität im Inneren des Materials. Sie können es als Druck betrachten, aber Stress beschreibt eher die innere Reaktion als einen externen Druck. Die Dehnung ist, wie stark das Material in Reaktion die Form ändert, berechnet als die Änderung der Länge geteilt durch die ursprüngliche Länge. Wenn wir Stress gegen die Belastung zeichnen, bekommen wir eineStress -Strain -KurveDas zeigt, wie sich das Material mit zunehmender Last verhält.

Im frühen Teil einer Spannungs -Dehnungs -Kurve verhalten sich die Materialien elastisch: Spannung und Dehnung sind proportional (eine gerade Linie nach Hookeschen Gesetz), und das Material kehrt nach Entfernung der Last in seine ursprüngliche Form zurück. Das Ende dieser Region ist die elastische Grenze - entsprechend bleibt eine gewisse Verformung dauerhaft. Die Ertragsfestigkeit markiert diesen Übergang von elastisch zu plastischem Verhalten und definiert die Grenze zwischen reversibler und irreversibler Verformung.

Für viele duktile Metalle wie Weichstahl ist dieser Übergang allmählich als scharf. Um die Ertragsfestigkeit konsistent zu definieren, verwenden Ingenieure häufig die 0,2% Offset -Methode: Sie zeichnen eine Linie parallel zum elastischen Teil der Kurve, verschoben jedoch um 0,2%. Der Punkt, an dem diese Linie die Kurve schneidet, wird als Ertragsfestigkeit angenommen. Dies bietet eine praktische, standardisierte Methode zur Messung der Ertragsfestigkeit, auch wenn kein klarer Ertragspunkt vorhanden ist.

Ertragsstärke gegen Zugfestigkeit

Wie wir definiert haben, ist die Ertragsfestigkeit die Spannung, bei der ein Material dauerhaft zu verformen beginnt. Die Zugfestigkeit, die oft als ultimative Zugfestigkeit (UTS) bezeichnet wird, ist die maximale Spannung, die ein Material standhalten kann, bevor es bricht. Sobald dieser Punkt erreicht ist, kann das Material keine zusätzliche Last mehr tragen und es folgt bald.

Beide beschreiben, wie ein Material auf Stress reagiert, aber sie stellen unterschiedliche Grenzen dar: Ertragsfestigkeit markiert den Beginn der dauerhaften Verformung, während die Zugfestigkeit den Bruchpunkt markiert. Zum Beispiel dehnt es sich beim Ziehen an einer Stahlstange zuerst elastisch. Schieben Sie die Ertragsfestigkeit vorbei und es nimmt eine dauerhafte Dehnung an. Machen Sie weiter, bis sie die Zugfestigkeit erreicht, und die Stange wird schließlich schnappen.

Im praktischen Design konzentrieren sich die Ingenieure mehr auf die Ertragsfestigkeit, da Komponenten ohne dauerhafte Schäden funktionsfähig bleiben müssen. Die Zugfestigkeit ist immer noch wichtig, signalisiert jedoch normalerweise eine Fehlerbedingung, die niemals im Betrieb auftreten sollte.

Neben der Zugfestigkeit wird die Ertragsfestigkeit oft auch mit zwei anderen Konzepten verwechselt:

Elastische Grenze:Die elastische Grenze ist die maximale Spannung, die ein Material aufnehmen kann, während sie nach dem Entfernen der Last vollständig in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Unter dieser Grenze ist alle Verformungen elastisch und reversibel. In vielen Fällen liegt die elastische Grenze sehr nahe an der Streckgrenze, so dass die beiden oft als gleich behandelt werden. Während die elastische Grenze die genaue physikalische Grenze markiert, liefert die Ertragskräfte einen standardisierten technischen Wert, der konsistent gemessen und für ein sicheres Design verwendet werden kann.

Proportionalgrenze:Dieser Begriff stammt aus dem linearen Teil der Spannungs -Dehnungs -Kurve. Die proportionale Grenze ist der Punkt, an den sich der Stress und die Dehnung des direkten Anteils nach dem HOOKE -Gesetz erhöhen. Es tritt normalerweise sowohl vor der elastischen Grenze als auch vor der Streckgrenze auf. Über diesen Punkt hinaus beginnt sich die Kurve zu beugen - die Beziehung ist nicht mehr perfekt linear, obwohl das Material immer noch elastisch ist.

Faktoren, die die Ertragsfestigkeit beeinflussen

Die Ertragsstärke bleibt nicht fest - sie kann sich je nach mehreren materiellen und Umweltfaktoren ändern. Hier sind einige der häufigsten:

Materialzusammensetzung (Legierungselemente)

Die Zusammensetzung eines Metalls hat einen großen Einfluss auf seine Ertragsfestigkeit. In Metallen kann das Hinzufügen von Legierungselementen sie stärker machen. Zum Beispiel gewinnt Stahl an Festigkeit, wenn Elemente wie Kohlenstoff, Mangan oder Chrom zugesetzt werden - obwohl höherer Kohlenstoff ihn auch spröder macht. Aluminiumlegierungen erhalten ihre Stärke aus Elementen wie Kupfer, Magnesium oder Zink. Diese Ergänzungen erzeugen winzige Hindernisse im Metall, die die Versetzungsbewegung blockieren (die Träger auf plastischer Deformation auf Atomebene), was die Ertragsfestigkeit erhöht. Einfach ausgedrückt, kann das „Rezept“ eines Metalls es schwieriger oder leichter zu beugen machen. Aus diesem Grund ist das Aluminium in einer Soda -Dose weich und flexibel, während das Aluminium in einem Flugzeugflügel, gemischt mit anderen Metallen, eine viel höhere Streckgrenze aufweist.

Korngröße (Mikrostruktur)

Im Allgemeinen bedeuten kleinere Körner eine höhere Stärke, ein Trend, der durch die Hall -Petch -Beziehung beschrieben wird. Der Grund dafür ist, dass Korngrenzen als Hindernisse für die Versetzungsbewegung dienen, sodass feinere Körner mehr Hindernisse erzeugen und das Metall stärker machen - bis zu einem gewissen Punkt. Metallurgen verfeinern die Korngröße durch kontrollierte Verfestigung oder thermomechanische Behandlungen. Beispielsweise werden viele hochfeste Stähle und Superalloys mit sehr feinen Körnern entwickelt, um die Streckgrenze zu maximieren, während Metalle mit sehr großen Körnern tendenziell leichter nachgeben.

Wärmebehandlung

Die Art und Weise, wie ein Metall erhitzt und abgekühlt ist, kann seine Struktur und damit seine Ertragsfestigkeit verändern.Glühen(Langsamer Erwärmen und Kühlung) macht das Metall weich, senkt seine Streckgrenze und macht es mehr duktil, indem es innere Belastungen lindert.Quenching(Schnelle Abkühlung in Wasser oder Öl) sperrt die Struktur in einen harten, gestressten Zustand und erhöht die Ertragsfestigkeit stark, macht aber auch das Metall spröde. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, folgt das Löschen oft nachTemperierung,Ein mittelschwerer Erwärmungsschritt, der die Zähigkeit verbessert.

Durch die Auswahl der richtigen Wärmebehandlung können die Hersteller je nach Anwendung Metalle härter oder weicher machen. Zum Beispiel wird Federstahl behandelt, um eine hohe Streckgrenze zu erzielen, damit er sich ohne Verformung biegen kann, während Stahldraht zuerst für eine einfache Gestaltung und später gestärkt wird.

Herstellungsprozess (Kaltarbeit)

Wie ein Material mechanisch verarbeitet wird, kann auch seine Ertragsfestigkeit verändern. Kaltarbeit (das Verformung eines Metalls bei Raumtemperatur, wie z. B. kaltes Rollen oder kaltes Zeichnen) erhöht die Ertragsfestigkeit durch einen Mechanismus, der als Härtung als Arbeit bezeichnet wird. Wenn Sie ein Metall plastisch verformen, führen Sie Versetzungen und Verstrickungen in seine Kristallstruktur ein, was eine weitere Verformung schwieriger macht - tatsächlich wird das Metall stärker, wenn es deformiert wird. Aus diesem Grund hat Kaltstahl typischerweise eine höhere Strecke als der gleiche Stahl in einem heißen (nicht beruflich gehärteten) Zustand.

Temperatur und Umgebung

Als Faustregel verlieren die meisten Metalle bei hohen Temperaturen die Ertragsfestigkeit. Erwärmen Sie das Metall, sodass es mit weniger Kraft deformiert werden kann. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden einige Materialien spröder. Ihre Fähigkeit, plastisch zu verformen, wird verringert, sodass die Ertragsstress im technischen Sinne zunehmen kann, aber es ist wahrscheinlicher, dass sie brechen als den Ertrag.

Umweltfaktoren wie Korrosion oder Strahlung können auch Materialien beeinträchtigen. Korrosion erzeugt Gruben oder reduziert die Querschnittsfläche, wodurch die Last, die eine Struktur vorgibt, effektiv reduziert. Beispielsweise kann ein rostiger Stahlstrahl unter einer niedrigeren Last als ein unkorrigierter Effekte ergeben, da seine effektive Dicke reduziert wird und Mikro-Cracks von Rost Spannung konzentrieren können.

Ertragsfestigkeit verschiedener Materialien

Spannungs -Strang -Kurven bieten eine einfache Möglichkeit, zu vergleichen, wie unterschiedliche Materialien auf die Belastung reagieren. In der obigen Abbildung können wir vier typische Verhaltensweisen sehen. Jeder reagiert mit zunehmender Stress unterschiedlich und ihre Ertragsfestigkeit spiegelt diese Unterschiede wider.

• Spröde Materialien:Spröde Materialien wie Glas oder Keramik haben fast keine plastische Verformung. Sie folgen einer fast geraden Linie, bis sie plötzlich brechen. Ihre Ertragsfestigkeit ist ihrer endgültigen Stärke sehr nahe, weil sie nicht wirklich „ergeben“ - sie brechen.

• Starke, aber nicht duktile Materialien:Einige Materialien wie hochfeste Stähle können hohen Belastungen standhalten, aber eine begrenzte Duktilität zeigen. Sie haben eine hohe Ertragsfestigkeit, was bedeutet, dass sie der dauerhaften Verformung gut widerstehen, aber sie dehnen sich nicht viel vor, bevor sie brechen.

• Duktile Materialien:Metalle wie Weichstahl und Aluminiumlegierungen sind duktil. Sie ergeben sich auf einem bestimmten Spannungsniveau und werden dann vor dem Brechen einer signifikanten plastischen Verformung unterzogen. Ihre Ertragsfestigkeit ist niedriger als ihre endgültige Zugfestigkeit und verleiht den Ingenieuren eine sichere „Pufferzone“, um sich darin zu entwerfen.

• Kunststoffmaterialien (weiche Polymere):Weichkunststoff und Polymere haben eine relativ geringe Streckgrenze. Sie verformen sich leicht unter kleinen Spannungen und zeigen möglicherweise keinen klaren Ertragspunkt. Stattdessen dehnen sie sich stetig, ohne jemals einen scharfen Übergang zum Fraktur zu zeigen.

Diese allgemeinen Verhaltensweisen werden klarer, wenn wir die tatsächlichen Ertragsfestigkeitswerte betrachten. In der folgenden Tabelle werden allgemeine technische Materialien und ihre typischen Ertragsstärken für den Vergleich aufgeführt.

Warum in der realen Welt die Ertragsfestigkeit in der realen Welt ergeben

Die Ertragsfestigkeit ist wichtig, wenn wir Materialien benötigen, um ihre Form unter Last zu halten. Hier sind einige Bereiche, in denen es eine entscheidende Rolle spielt:

Konstruktion und Infrastruktur

In Gebäuden und Brücken werden Stahlstrahlen und andere Metallteile für ihre hohe Ertragsfestigkeit ausgewählt, sodass sie schwere Lasten von Fahrzeugen, Wind oder sogar Erdbeben tragen können, ohne sich zu biegen oder zu schlafend. Wenn ein Strahl während des normalen Gebrauchs ergeben würde, wäre die Sicherheit der Struktur gefährdet, weshalb Ingenieure immer mit einer Marge gestalten, die Spannungen deutlich unter dem Ertragspunkt hält.

Automobilsicherheit

Moderne Autos verwenden Kumpelzonen, die während eines Absturzes kontrolliert nachgeben sollen. Wenn die Aufprallkräfte die Ertragsfestigkeit der Vorder- oder Rückseite überschreiten, zerknumpeln und absorbieren diese Bereiche durch dauerhafte Verformung, anstatt die volle Kraft an Passagiere weiterzugeben. Gleichzeitig wird die Kabine mit höheren Materialien verstärkt, die sich der Ausbeute widersetzen, wodurch die Insassen geschützt werden.

Luft- und Raumfahrt und Transport

Das Fahrwerk eines Flugzeugs muss dem Touchdown -Schock standhalten, ohne sich dauerhaft zu beugen. Rumpf und Flügel sind auch wiederholte Druckzyklen und aerodynamische Kräfte ausgesetzt, die Schäden verursachen würden, wenn ihren Materialien eine ausreichende Ertragsfestigkeit fehlte. Um die Stärke mit niedrigem Gewicht auszugleichen, wenden sich die Ingenieure häufig an fortschrittliche Legierungen wie Aluminium und Titan. Das gleiche Prinzip gilt für Bahnschienen und Schiffsrämme, die unter starkem Gebrauch starr bleiben und dauerhaften Biegungen oder Dellen widerstehen müssen.

Alltagsprodukte

Qualitätswerkzeuge wie Schraubenschlüssel oder Schraubendreher bestehen aus Stahl mit hohem Ruf, sodass sie sich nicht unter normalem Gebrauch beugen, während billigere Werkzeuge eine dauerhafte Kurve häufig verdrehen oder annehmen, sobald die Spannung ihre Streckgrenze überschreitet. Die gleiche Idee ist in einem einfachen Kleiderbügel zu sehen: Mit leichten Ladungen entspringt sie zurück, aber schwerere Lasten oder scharfe Biegungen drücken ihn über seinen Ertragspunkt vorbei und lassen eine dauerhafte Formänderung zurück. Die Ertragsfestigkeit führt auch das Design größerer Gegenstände wie Fahrradrahmen, die das Gewicht des Fahrers tragen und Beulen absorbieren müssen, ohne sich aus der Form zu beugen, während sie immer noch hell genug sind, um leicht zu handhaben.

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