Dehnung und Dehnungsarten

Dehnung

Wenn Spannung vorhanden ist, wird auch Dehnung ein Faktor sein. Die beiden Arten von Dehnung werden in diesem Artikel besprochen.

Definition von Dehnung

Bei der Verwendung von Metall für maschinenbauliche Zwecke existiert in der Regel ein bestimmter Spannungszustand in einem beträchtlichen Volumen des Materials. Die Reaktion der atomaren Struktur wird sich auf makroskopischer Ebene manifestieren. Daher muss, wann immer eine Spannung (egal wie klein) auf ein Metall angewendet wird, eine proportionale Dimensionsänderung oder Verzerrung stattfinden.

Eine solche proportionale Dimensionsänderung (Intensität oder Grad der Verzerrung) wird als Dehnung bezeichnet und wird als Gesamtverlängerung pro Längeneinheit des Materials aufgrund einer aufgebrachten Spannung gemessen. Die untenstehende Gleichung illustriert dieses Verhältnis oder diese Verzerrung.

wobei:
ε = Dehnung (in./in.)
δ = Gesamtverlängerung (in.)
L = ursprüngliche Länge (in.)

Beachten Sie, dass die äquivalenten SI-Metrikeinheiten zu Zoll Millimeter, Zentimeter und Meter sind.

Arten von Dehnung

Dehnung kann zwei Formen annehmen: elastische Dehnung und plastische Verformung.

Elastische Dehnung

Elastische Dehnung ist eine vorübergehende Dimensionsänderung, die nur während der Anwendung der auslösenden Spannung existiert und sofort nach Entfernung der Spannung verschwindet. Elastische Dehnung wird auch als elastische Verformung bezeichnet. Die aufgebrachten Spannungen verursachen, dass sich die Atome in einem Kristall von ihrer Gleichgewichtsposition bewegen. Alle Atome werden um denselben Betrag verschoben und behalten ihre relative Geometrie bei. Wenn die Spannungen entfernt werden, kehren alle Atome in ihre ursprünglichen Positionen zurück und es tritt keine dauerhafte Verformung auf.

Plastische Verformung

Plastische Verformung (oder plastische Dehnung) ist eine Dimensionsänderung, die nicht verschwindet, wenn die auslösende Spannung entfernt wird. Sie wird normalerweise von einer gewissen elastischen Dehnung begleitet.

Das Phänomen der elastischen Dehnung und plastischen Verformung in einem Material wird als Elastizität bzw. Plastizität bezeichnet.

Bei Raumtemperatur haben die meisten Metalle eine gewisse Elastizität, die sich zeigt, sobald die geringste Spannung angewendet wird. Normalerweise besitzen sie auch eine gewisse Plastizität, aber diese wird möglicherweise erst offensichtlich, wenn die Spannung erheblich erhöht wurde. Das Ausmaß der plastischen Dehnung, wenn sie auftritt, ist wahrscheinlich viel größer als das der elastischen Dehnung bei einem gegebenen Spannungsanstieg. Metalle neigen dazu, bei erhöhten Temperaturen weniger Elastizität und mehr Plastizität zu zeigen. Einige reine, nicht legierte Metalle (insbesondere Aluminium, Kupfer und Gold) zeigen wenig bis gar keine Elastizität, wenn sie im geglühten Zustand bei Raumtemperatur belastet werden, weisen jedoch eine ausgeprägte Plastizität auf. Einige nicht legierte Metalle und viele Legierungen haben bei Raumtemperatur eine ausgeprägte Elastizität, aber keine Plastizität.

Der Spannungszustand kurz bevor plastische Dehnung zu erscheinen beginnt, wird als Proportionalitätsgrenze oder elastische Grenze bezeichnet und wird durch das Spannungsniveau und den entsprechenden Wert der elastischen Dehnung definiert. Die Proportionalitätsgrenze wird in Pfund pro Quadratzoll in imperialen Einheiten oder Newton pro Quadratmeter in metrischen Einheiten ausgedrückt. Für Lastintensitäten über der Proportionalitätsgrenze besteht die Verformung aus sowohl elastischen als auch plastischen Dehnungen.

Wie zuvor in diesem Artikel erwähnt, misst die Dehnung die proportionale Dimensionsänderung ohne aufgebrachte Last. Solche Dehnungswerte sind leicht zu bestimmen und hören nur dann auf, ausreichend genau zu sein, wenn plastische Dehnung dominant wird.

Wenn Metall Dehnung erfährt, bleibt sein Volumen konstant. Daher, wenn das Volumen konstant bleibt, während sich die Dimension auf einer Achse ändert, müssen sich auch die Dimensionen mindestens einer anderen Achse ändern. Wenn eine Dimension zunimmt, muss eine andere abnehmen. Zum Beispiel kann sich eine Form von kurz und dick zu lang und dünn ändern, aber das Volumen bleibt gleich. Es gibt einige Ausnahmen. Zum Beispiel beinhaltet Verfestigung die Aufnahme von Dehnungsenergie in die Materialstruktur, was zu einer Zunahme einer Dimension ohne eine ausgleichende Abnahme in anderen Dimensionen führt. Dies führt dazu, dass die Dichte des Materials abnimmt und das Volumen zunimmt.

Wenn eine Zugbelastung auf ein Material angewendet wird, wird sich das Material auf der Achse der Last (senkrecht zur Zugspannungsebene) verlängern, wie im Bild unten (Zug) dargestellt. Umgekehrt, wenn die Last druckbelastend ist, wird die axiale Dimension abnehmen, wie im Bild unten (Druck) dargestellt. Wenn das Volumen konstant ist, muss eine entsprechende laterale Kontraktion oder Expansion auftreten. Diese laterale Änderung wird ein festes Verhältnis zur axialen Dehnung haben. Das Verhältnis, oder das Verhältnis von lateraler zu axialer Dehnung, wird als Poisson-Verhältnis nach dem Namen seines Entdeckers bezeichnet. Es wird üblicherweise durch den Buchstaben ν symbolisiert.

Formänderung eines Zylinders unter Spannung

Verformung kubischer Strukturen

Ob ein Material bei niedrigen aufgebrachten Spannungen plastisch verformbar ist, hängt von seiner Gitterstruktur ab. Es ist einfacher für Ebenen von Atomen, aneinander vorbeizugleiten, wenn diese Ebenen dicht gepackt sind. Daher ermöglichen Gitterstrukturen mit dicht gepackten Ebenen mehr plastische Verformung als solche, die nicht dicht gepackt sind. Auch kubische Gitterstrukturen ermöglichen ein leichteres Gleiten als nicht-kubische Gitter; dies liegt an ihrer Symmetrie, die dicht gepackte Ebenen in mehreren Richtungen bietet. Die meisten Metalle bestehen aus dem kubisch-raumzentrierten Gitter (BCC), dem kubisch-flächenzentrierten Gitter (FCC) oder dem hexagonal dicht gepackten Gitter (HCP). Eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur wird sich unter Last leichter verformen, bevor sie bricht, als eine kubisch-raumzentrierte Struktur.

Das BCC-Gitter, obwohl kubisch, ist nicht dicht gepackt und bildet starke Metalle. α-Eisen (eine Form von Eisen, genannt ‘Alpha’-Eisen) und Wolfram haben die BCC-Form. Das FCC-Gitter ist sowohl kubisch als auch dicht gepackt und bildet duktilere Materialien. Silber, Gold und Blei sind FCC-strukturiert. Schließlich sind HCP-Gitter dicht gepackt, aber nicht kubisch. HCP-Metalle wie Kobalt und Zink sind nicht so duktil wie FCC-Metalle.

Zusammenfassung

Die wichtigen Informationen in diesem Kapitel sind unten zusammengefasst.

Zusammenfassung der Dehnung

• Dehnung ist die proportionale Dimensionsänderung oder die Intensität oder der Grad der Verzerrung in einem Material unter Spannung.
• Plastische Verformung ist die Dimensionsänderung, die nicht verschwindet, wenn die auslösende Spannung entfernt wird.
• Proportionalitätsgrenze ist die Menge an Spannung kurz vor dem Punkt (Schwelle), an dem plastische Dehnung zu erscheinen beginnt, oder das Spannungsniveau und der entsprechende Wert der elastischen Dehnung.
• Es gibt zwei Arten von Dehnung:

Elastische Dehnung ist eine vorübergehende Dimensionsänderung, die nur während der Anwendung der auslösenden Spannung existiert und sofort nach Entfernung der Spannung verschwindet.

Plastische Dehnung (plastische Verformung) ist eine Dimensionsänderung, die nicht verschwindet, wenn die auslösende Spannung entfernt wird.