Was sind Metall-Belastung und Metall-Ermüdung?

Verschiedene Metalle reagieren auf unterschiedliche Weise auf die Belastung

Dieser Titanstab wurde auf das Doppelte seiner ursprünglichen Länge gestreckt, eine technische Dehnung von 100%. Foto & Kopie dunand.northwestern.edu

Alle Metalle verformen sich (dehnen oder komprimieren), wenn sie mehr oder weniger beansprucht werden. Diese Verformung ist ein sichtbares Zeichen der Metallspannung.

In der Metallurgie kann Dehnung als Verformung eines Metalls aufgrund von Spannungen definiert werden. Mit anderen Worten, es ist ein Maß dafür, wie viel ein Metall im Vergleich zu seiner ursprünglichen Länge gestreckt oder komprimiert wurde. Wenn die Länge eines Metallstücks aufgrund von Spannungen zunimmt, wird dies als Zugspannung bezeichnet.

Aber wenn es eine Verringerung der Länge gibt, ist dies eine Druckspannung.

Metalldehnung in duktilen (biegbaren) Materialien

Einige Metalle (wie rostfreier Stahl und viele andere Legierungen) geben unter Spannung nach . Dadurch können sie sich biegen oder verformen, ohne zu brechen. Andere Metalle, wie z. B. Gusseisen, brechen und brechen unter Belastung schnell. Aber auch Edelstahl schwächt sich ab und bricht unter genügend Spannung.

Metalle wie Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt biegen sich, anstatt unter Belastung zu brechen. Bei einem bestimmten Stressniveau erreichen sie jedoch einen gut verstandenen "Fließpunkt". Erreichen sie die Fließgrenze, wird das Metall "kaltverfestigt". Dies bedeutet, dass mehr Spannung erforderlich ist, um das Metall weiter zu verformen. Das Metall wird weniger duktil oder biegbar. In einem Sinne macht dies das Metall härter. Während das Kaltverfestigen das Verformen des Metalls erschwert, wird das Metall spröder. Sprödes Metall kann leicht brechen oder versagen.

Metalldehnung in spröden Materialien

Einige Metalle sind intrinsisch spröde, was bedeutet, dass sie besonders anfällig für Bruch sind. Spröde Metalle umfassen Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt. Im Gegensatz zu duktilen Materialien haben diese Metalle keine genau definierte Fließgrenze. Stattdessen, wenn sie ein bestimmtes Stresslevel erreichen, brechen sie.

Spröde Metalle verhalten sich sehr ähnlich wie andere spröde Materialien wie Glas, Stein und Beton. Wie diese Materialien sind sie in gewisser Weise stark - aber weil sie sich nicht biegen oder dehnen können, sind sie für bestimmte Anwendungen nicht geeignet.

Messung der Metallbelastung

Das am häufigsten verwendete Maß für die Spannung in Metallen wird als "Engineering Dehnung" bezeichnet. Die technische Dehnung kann als die Änderung der Länge dividiert durch die ursprüngliche Länge berechnet werden. Zum Beispiel soll ein 2,0 " Titanstab , der auf 2,2" gestreckt wurde, eine Zugspannung von 0,1 oder 10% erfahren haben.

Metallermüdung, resultierend aus Metalldehnung

Wenn duktile Metalle beansprucht werden, verformen sie sich. Wenn die Spannung entfernt wird, bevor das Metall seine Fließgrenze erreicht, kehrt das Metall in seine ursprüngliche Form zurück. Während das Metall in seinen ursprünglichen Zustand zurückgekehrt zu sein scheint, sind auf molekularer Ebene jedoch winzige Fehler aufgetreten.

Jedes Mal, wenn sich das Metall deformiert und dann in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, treten mehr molekulare Fehler auf. Nach vielen Deformationen gibt es so viele molekulare Fehler, dass das Metall bricht. Wenn dies auftritt, wird es als "Metallermüdung" bezeichnet. Metallermüdung ist irreversibel.

Metallermüdung ist besonders problematisch in Situationen, in denen Metall immer wieder gestresst wird.

Zum Beispiel war es eine Hauptursache von Flugzeugversagen, bevor es vollständig verstanden wurde. Um Metallermüdung zu vermeiden, ist es wichtig, Proben von Metall unter Belastung regelmäßig mit einem Mikroskop zu untersuchen.