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<\/figure>\n\n\n\n- \n
- Zugbelastung: Kr\u00e4fte, die das Material ziehen oder dehnen.<\/li>\n\n\n\n
- Druckbelastung: Kr\u00e4fte, die das Material dr\u00fccken oder komprimieren.<\/li>\n\n\n\n
- Scherbelastung: Kr\u00e4fte, die parallel zur Oberfl\u00e4che eines Materials wirken und dazu f\u00fchren, dass Schichten oder Ebenen des Materials aneinander vorbeigleiten.<\/li>\n\n\n\n
- Biegebelastung: Kr\u00e4fte, die dazu f\u00fchren, dass sich das Material biegt.<\/li>\n\n\n\n
- Torsionsbelastung: Kr\u00e4fte, die das Material verdrehen.<\/li>\n\n\n\n
- Sto\u00dfbelastung: Pl\u00f6tzliche, heftige Sto\u00df- oder Sto\u00dfbelastungen.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
<\/p>\n\n\n\n
Als n\u00e4chstes werden wir einige der h\u00e4ufigsten Arten von Kraft im Detail besprechen.<\/p>\n\n\n\n
1. Zugfestigkeit<\/h3>\n\n\n\n
Unter Zugfestigkeit versteht man die maximale Zug- oder Dehnungsbeanspruchung, der ein Material standhalten kann, bevor es bricht. Es misst, wie viel Belastung ein Material aushalten kann, bevor es versagt.<\/p>\n\n\n\n
![\"Graphical](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/Graphical-Representation-of-Tensile-Strength.webp\")
Spannung: Stellt die Gr\u00f6\u00dfe einer externen Kraft dar, die \u00fcber die Querschnittsfl\u00e4che eines K\u00f6rpers wirkt. Dehnung: Beschreibt das Ausma\u00df der Verformung, die der K\u00f6rper in Richtung dieser Kraft erf\u00e4hrt.<\/sub><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Diese Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt eine typische Zugleistung. Die Punkte A, B und C stellen drei Schl\u00fcsselknoten der Zugfestigkeit dar, die als Referenzpunkte dienen und deutliche Ver\u00e4nderungen der Produkteigenschaften unter Spannung anzeigen. Schauen wir uns diese drei Punkte einzeln an.<\/p>\n\n\n\n
Streckgrenze (Punkt A): <\/strong>Sie bezeichnet die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es zu einer dauerhaften plastischen Verformung kommt. \u00dcber diesen Punkt hinaus kehrt das Material nicht mehr in seine urspr\u00fcngliche Form zur\u00fcck, wenn die Spannung entfernt wird.<\/p>\n\n\n\n
Hersteller nutzen die Streckgrenze, um sichere Betriebsgrenzen festzulegen und so die strukturelle Integrit\u00e4t und Funktionalit\u00e4t von Materialien aufrechtzuerhalten. Es wird auch in vielen technischen Vorschriften als Kriterium zur Fehlerdefinition verwendet.<\/p>\n\n\n\n
Endfestigkeit (Punkt B):<\/strong> Wenn von Zugfestigkeit allgemein gesprochen wird, bezieht sich dies normalerweise auf die ultimative Zugfestigkeit (UTS). Sie stellt die maximale Belastung dar, die ein Material tragen kann, bevor es zu einer Einschn\u00fcrung kommt. Ab diesem Punkt verringert sich die Querschnittsfl\u00e4che, was zu einer Verringerung der Belastung f\u00fchrt, die das Material bis zum Bruch aushalten kann.<\/p>\n\n\n\n
Sie k\u00f6nnen die Zugfestigkeit eines Metalls mithilfe einer Zugpr\u00fcfmaschine (auch als Universalpr\u00fcfmaschine oder UTM bezeichnet) bewerten. Es verf\u00fcgt \u00fcber zwei Griffe, die die Probe an beiden Enden halten. W\u00e4hrend der Pr\u00fcfung \u00fcbt die Maschine eine kontrollierte Zugkraft auf das Werkst\u00fcck aus, bis es bricht. Die ausge\u00fcbte Zugkraft (oder Spannung) und Dehnung werden w\u00e4hrend des Tests gemessen, um die Streckgrenze und die endg\u00fcltige Zugfestigkeit des Metalls zu bestimmen.<\/p>\n\n\n\n
![\"tensile-testing-machine\"](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/tensile-testing-machine.png\")
<\/figure>\n\n\n\nBruchfestigkeit (Punkt C):<\/strong> Die Belastung, bei der das Material letztendlich versagt und auseinanderbricht. Es wird verwendet, um Komponenten zu konstruieren, die extremen Bedingungen standhalten und die Sicherheit gew\u00e4hrleisten, indem sie katastrophale Ausf\u00e4lle verhindern.<\/p>\n\n\n\n
2. Druckfestigkeit<\/h3>\n\n\n\n
Diese Art von Festigkeit misst die F\u00e4higkeit eines Materials, Kr\u00e4ften zu widerstehen, die es komprimieren oder verk\u00fcrzen. Dabei handelt es sich um die maximale Druckbelastung, die ein Material ohne Versagen ertragen kann.<\/p>\n\n\n\n
Sie k\u00f6nnen die Druckfestigkeit mit einer Druckpr\u00fcfmaschine bewerten. Typischerweise werden Platten verwendet, die von beiden Enden aus Druck auf das Werkst\u00fcck aus\u00fcben und so eine kontrollierte Druckkraft aus\u00fcben, bis sich das Metall verformt oder bricht. Der Punkt, an dem die Verformung beginnt, gibt die Druckfestigkeit dieses Metalls an.<\/p>\n\n\n\n
![\"Graphical](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/Graphical-Representation-of-Compressive-Strength.png\")
<\/figure>\n\n\n\n3. Schlagfestigkeit<\/h3>\n\n\n\n
Die Schlagfestigkeit misst die F\u00e4higkeit eines Materials, Bruch oder Verformung zu widerstehen, wenn es pl\u00f6tzlichen, schnellen St\u00f6\u00dfen oder St\u00f6\u00dfen ausgesetzt wird. Es stellt die F\u00e4higkeit des Materials dar, kinetische Energie von auftreffenden Objekten zu absorbieren und ihr standzuhalten.<\/p>\n\n\n\n
Die Messung erfolgt typischerweise mit einer Schlagpr\u00fcfmaschine, beispielsweise einem Charpy- oder Izod-Pr\u00fcfger\u00e4t. Diese Maschinen schlagen mit einem Pendelhammer auf eine gekerbte Probe und zeichnen die Energie auf, die die Probe beim Bruch absorbiert.<\/p>\n\n\n\n
![\"impact-strength-test\"](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/impact-strength-test.webp\")
<\/figure>\n\n\n\nWarum m\u00fcssen wir etwas \u00fcber die Festigkeit von Metallen lernen?<\/h2>\n\n\n\n
Das Verst\u00e4ndnis der Metallfestigkeit ist ein entscheidender Aspekt beim Verst\u00e4ndnis der Materialleistung. Dadurch k\u00f6nnen wir fundierte Entscheidungen \u00fcber die Auswahl der richtigen Materialien f\u00fcr verschiedene Anwendungen treffen.<\/p>\n\n\n\n
Sicherheit und Haltbarkeit<\/h3>\n\n\n\n
Die Festigkeit von Metallen ist von gr\u00f6\u00dfter Bedeutung f\u00fcr die Gew\u00e4hrleistung der Sicherheit und Haltbarkeit von Strukturen und Komponenten, insbesondere in wichtigen Anwendungen wie Maschinen, Br\u00fccken und Geb\u00e4uden. Der Erwerb von Kenntnissen dar\u00fcber tr\u00e4gt dazu bei, Ausf\u00e4lle zu verhindern, die zu Unf\u00e4llen, Verletzungen oder Todesf\u00e4llen f\u00fchren k\u00f6nnen, und stellt eine l\u00e4ngere Lebensdauer der Produkte sicher, was letztendlich die H\u00e4ufigkeit von Reparaturen und Austauschen verringert.<\/p>\n\n\n\n
Verbesserung der Leistung<\/h3>\n\n\n\n
Das Erlernen der Metallfestigkeit erm\u00f6glicht die Optimierung der Leistung in verschiedenen Anwendungen. Beispielsweise kann in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie die Verwendung von Metallen mit der entsprechenden Festigkeit die Kraftstoffeffizienz verbessern, das Gewicht reduzieren und die Gesamtleistung verbessern.<\/p>\n\n\n\n
Kosteneffizienz<\/h3>\n\n\n\n
Durch das Verst\u00e4ndnis der Festigkeit verschiedener Metalle k\u00f6nnen Hersteller kosteneffiziente Entscheidungen treffen. Die Wahl des richtigen Metalls f\u00fcr die richtige Anwendung kann Materialverschwendung minimieren, Produktionskosten senken und die Lebensdauer von Produkten verl\u00e4ngern, was zu langfristigen Einsparungen f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n
Innovatives Design<\/h3>\n\n\n\n
Das Erlernen der Metallfestigkeit er\u00f6ffnet M\u00f6glichkeiten f\u00fcr innovative Design- und Konstruktionsl\u00f6sungen. Es erm\u00f6glicht die Schaffung leichterer, st\u00e4rkerer und effizienterer Strukturen und Produkte und verschiebt die Grenzen des technisch Machbaren.<\/p>\n\n\n\n
St\u00e4rkste Metalle, die in der Metallherstellung verwendet werden<\/h2>\n\n\n\n
![\"Tungsten-Metal\"](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/Tungsten-Metal.webp\")
Wolfram<\/sub><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Als n\u00e4chstes stellen wir einige Metalle vor, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit in der Praxis weit verbreitet sind.<\/p>\n\n\n\n
Titan<\/h3>\n\n\n\n
Titan ist ein nat\u00fcrlich vorkommendes Metall, das f\u00fcr sein hohes Verh\u00e4ltnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt ist. Neben seinem geringen Gewicht und seiner au\u00dfergew\u00f6hnlichen Zugfestigkeit ist Titan auch \u00e4u\u00dferst korrosionsbest\u00e4ndig, was es zu einer hervorragenden Wahl f\u00fcr die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate und Hochleistungs-Automobilteile macht.<\/p>\n\n\n\n
Um seine Eigenschaften weiter zu verbessern, wird es oft in Legierungsform verwendet. Ein g\u00e4ngiges Beispiel ist die Titanlegierung Ti-6Al-4V, die Aluminium und Vanadium enth\u00e4lt und in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet ist.<\/p>\n\n\n\n
Wolfram<\/h3>\n\n\n\n
Unter den nat\u00fcrlich vorkommenden Metallen gilt Wolfram aufgrund seiner h\u00f6chsten Zugfestigkeit von bis zu 1.725 MPa als das st\u00e4rkste. In Verbindung mit seinem h\u00f6chsten Schmelzpunkt ist Wolfram \u00e4u\u00dferst wertvoll f\u00fcr Anwendungen, die extreme Haltbarkeit und Hitzebest\u00e4ndigkeit erfordern. Allerdings ist es oft spr\u00f6de. Um diese Eigenschaft auszugleichen, wird Wolfram \u00fcblicherweise mit anderen Elementen wie Kohlenstoff legiert. Aufgrund seiner au\u00dfergew\u00f6hnlichen H\u00e4rte und Haltbarkeit wird Wolframkarbid h\u00e4ufig in Schneidwerkzeugen, Bergbauger\u00e4ten und verschlei\u00dffesten Oberfl\u00e4chen verwendet.<\/p>\n\n\n\n
Chrom<\/h3>\n\n\n\n
Mit einer H\u00e4rte von 8,5 auf der Mohs-Skala gilt Chrom als eines der h\u00e4rtesten Metalle der Erde und wird in die Liste der st\u00e4rksten Metalle aufgenommen. Allerdings wird Chrom aufgrund seiner Spr\u00f6digkeit \u00fcblicherweise nicht in reiner Form verwendet. Es wird h\u00e4ufig beim Verchromen verwendet, um Metallen und Kunststoffen eine harte, korrosionsbest\u00e4ndige Oberfl\u00e4che zu verleihen. Dar\u00fcber hinaus wird Chrom auch in Hochleistungslegierungen verwendet, um die Festigkeit, Verschlei\u00dffestigkeit und Korrosionsbest\u00e4ndigkeit zu verbessern. Edelstahl ist ein typisches Beispiel f\u00fcr eine solche Legierung und eines der am h\u00e4ufigsten verwendeten Materialien in verschiedenen Branchen.<\/p>\n\n\n\n
Stahl<\/h3>\n\n\n\n
Stahl, der durch Legieren von Eisen mit Kohlenstoff und einigen anderen Elementen hergestellt wird, ist das wichtigste Ingenieur- und Baumaterial. Die Festigkeit von Stahl variiert je nach seinen Legierungsbestandteilen. Hier sind einige g\u00e4ngige Arten des st\u00e4rksten Stahls:<\/p>\n\n\n\n
Edelstahl<\/strong> ist eine Legierung aus Eisen, Chrom und oft Mangan. Es ist bekannt f\u00fcr seine hervorragende Korrosionsbest\u00e4ndigkeit mit einer Streckgrenze von etwa 1560 MPa und einer Zugfestigkeit von bis zu 1600 MPa. Dadurch eignet es sich ideal f\u00fcr K\u00fcchenutensilien, medizinische Instrumente und Baumaterialien, da es langlebig und rostbest\u00e4ndig ist.<\/p>\n\n\n\n
Hochfester niedriglegierter Stahl (HSLA)<\/strong> ist ein weiterer Typ. Es handelt sich um eine Eisenlegierung mit geringen Mengen Kupfer, Nickel, Vanadium, Titan und Niob. HSLA ist leicht, aber dank Mikrolegierungs- und W\u00e4rmebehandlungstechniken sehr stark und z\u00e4h. Es wird h\u00e4ufig im Automobilbau, im Hochbau, im Br\u00fcckenbau und bei Rohrleitungen eingesetzt, wo hohe Festigkeit und geringes Gewicht entscheidend sind.<\/p>\n\n\n\n
Maraging-Stahl<\/strong> ist eine Legierung aus Eisen mit Nickel, Kobalt, Molybd\u00e4n und Titan und hat einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt. Dieser Stahl ist f\u00fcr seine ultrahohe Festigkeit und Z\u00e4higkeit bekannt, die durch Alterungsw\u00e4rmebehandlung erreicht wird. Es wird in Hochleistungsanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Werkzeugbau, Flugzeugfahrwerken, Raketenmotorgeh\u00e4usen und Hochleistungsgetrieben eingesetzt.<\/p>\n\n\n\n
Werkzeugstahl<\/strong> besteht aus Elementen wie Wolfram, Molybd\u00e4n, Chrom und Vanadium. Es ist unglaublich hart und abriebfest und beh\u00e4lt auch bei hohen Temperaturen eine scharfe Kante. Werkzeugstahl ist f\u00fcr die Herstellung von Schneidwerkzeugen, Matrizen und Formen unerl\u00e4sslich, insbesondere wenn eine hohe Verschlei\u00dffestigkeit und Z\u00e4higkeit erforderlich sind.<\/p>\n\n\n\n
Inconel<\/strong> ist eine Familie von Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Basis, die f\u00fcr ihre hohe Festigkeit und ausgezeichnete Best\u00e4ndigkeit gegen Oxidation und Korrosion, selbst bei hohen Temperaturen, bekannt sind. Inconel ist besonders n\u00fctzlich in der Luft- und Raumfahrt-, Schifffahrts- und chemischen Verarbeitungsindustrie, wo Materialien starken mechanischen und thermischen Belastungen standhalten m\u00fcssen, ohne sich zu verschlechtern.<\/p>\n\n\n\n
Wie kann die Festigkeit von Metall verbessert werden?<\/h2>\n\n\n\n
![\"Heat-Treatment-of-Metals-Process\"](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/Heat-Treatment-of-Metals-Process.webp\")
<\/figure>\n\n\n\nNachdem wir die st\u00e4rksten Metalle kennengelernt haben, die \u00fcblicherweise in der Metallherstellung verwendet werden, k\u00f6nnen wir erkennen, dass das Legieren (insbesondere das Hinzuf\u00fcgen neuer Elemente) eine Schl\u00fcsselmethode zur Erh\u00f6hung der Festigkeit ist. \u00dcber das Legieren hinaus werden h\u00e4ufig andere praktische Methoden eingesetzt, um die Festigkeit von Metallen weiter zu verbessern und den st\u00e4ndig steigenden Anforderungen moderner Anwendungen gerecht zu werden.<\/p>\n\n\n\n
L\u00f6sungsh\u00e4rten und Verst\u00e4rken<\/h3>\n\n\n\n
Obwohl es sich hierbei technisch gesehen um eine Form des Legierens handelt, liegt der Schwerpunkt auf der Art und Weise, wie die hinzugef\u00fcgten Elemente in die Kristallstruktur des Metalls integriert werden, um dessen Festigkeit zu erh\u00f6hen. Bei diesem Prozess werden Atome eines Legierungselements zum Kristallgitter des Grundmetalls hinzugef\u00fcgt, um eine feste L\u00f6sung zu bilden. Die eingebauten Atome erzeugen Gitterverzerrungen, die die Versetzungsbewegung behindern und dadurch die Festigkeit des Metalls erh\u00f6hen.<\/p>\n\n\n\n
W\u00e4rmebehandlung<\/h3>\n\n\n\n
Die W\u00e4rmebehandlung ist ein kontrollierter Prozess, der dazu dient, die Leistung eines Metalls durch Modifizierung seiner Struktur zu verbessern. Hier sind einige g\u00e4ngige W\u00e4rmebehandlungsmethoden zur Verbesserung der Festigkeit von Metall:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- Abschrecken und Anlassen<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Beim Abschrecken wird das Metall auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann in einem Medium wie Wasser, \u00d6l oder Luft schnell abgek\u00fchlt. Diese schnelle Abk\u00fchlung f\u00e4ngt Kohlenstoffatome in der Kristallstruktur ein und bildet eine harte martensitische Phase. Dieser H\u00e4rteanstieg geht in der Regel mit einem Anstieg der Zugfestigkeit einher. Diese extreme Abk\u00fchlung kann jedoch auch zu inneren Spannungen und Spr\u00f6digkeit f\u00fchren.<\/p>\n\n\n\n
Nach dem Abschrecken wird h\u00e4ufig ein Anlassen angewendet, um diese Spannungen abzubauen und einen Teil der beim Abschrecken verlorenen Duktilit\u00e4t wiederherzustellen. W\u00e4hrend es die H\u00e4rte leicht verringert, verbessert es die Z\u00e4higkeit und schafft eine stabilere Mikrostruktur, wodurch die Widerstandsf\u00e4higkeit des Metalls gegen St\u00f6\u00dfe und Belastungen verbessert wird.<\/p>\n\n\n\n
- \n
- Normalisieren<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Beim Normalisieren wird das Metall \u00fcber seine kritische Temperatur erhitzt und anschlie\u00dfend an der Luft abgek\u00fchlt. Dieser Prozess erzeugt eine gleichm\u00e4\u00dfigere und feink\u00f6rnigere Struktur und erh\u00f6ht die Festigkeit des Metalls.<\/p>\n\n\n\n
- \n
- Ausscheidungsh\u00e4rtung (Alterung)<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Dabei wird das Metall auf eine moderate Temperatur erhitzt und diese Temperatur \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum aufrechterhalten, damit sich in der Kristallstruktur des Metalls feine Niederschl\u00e4ge bilden k\u00f6nnen. Diese Ausscheidungen erh\u00f6hen die Streckgrenze und H\u00e4rte des Materials, indem sie die Versetzungsbewegung behindern.<\/p>\n\n\n\n
Kaltumformung<\/h3>\n\n\n\n
Bei der Kaltumformung, auch Kaltverfestigung genannt, wird das Metall bei Raumtemperatur durch Prozesse wie Walzen, Ziehen oder Strangpressen plastisch verformt. Diese Verformung erh\u00f6ht die Dichte der Versetzungen innerhalb der Kristallstruktur, behindert deren Bewegung und st\u00e4rkt dadurch das Material.<\/p>\n\n\n\n
Metallfestigkeitstabelle<\/h2>\n\n\n\n
Das Metallfestigkeitsdiagramm bietet ein zuverl\u00e4ssiges Kriterium f\u00fcr die Auswahl geeigneter Materialien f\u00fcr bestimmte Anwendungen. Es bietet eine umfassende Bewertung der Leistung eines Metalls unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Damit k\u00f6nnen Sie die Eigenschaften verschiedener Metalle schnell vergleichen.<\/p>\n\n\n\n
- Ausscheidungsh\u00e4rtung (Alterung)<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
- Normalisieren<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
- Abschrecken und Anlassen<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
![\"strength_ductility_toughness\"](\"https:\/\/chiggofactory.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/strength_ductility_toughness.jpg\")