Die Verformung von Werkstoffen kann entweder elastisch oder plastisch sein. Elastische Verformungen sind reversibel, während plastische Verformungen irreversibel sind. Die Stärke des Werkstoffs bestimmt, ob es zu einer elastischen, plastischen Verformung oder sogar zum Bruch kommt.
Grundlagen zur Verformung
Spannungen entstehen innerhalb eines Werkstoffs durch mechanische Beanspruchung von außen. Dabei kann es zu elastischen oder plastischen Verformungen kommen. Elastische Verformungen kehren nach der Beanspruchung in ihre ursprüngliche Form zurück, während plastische Verformungen auch nach der Entlastung bestehen bleiben. Die Festigkeit des Werkstoffs bestimmt, welche Art der Verformung auftritt.
Mechanische Beanspruchung
Bevor wir uns die verschiedenen Arten der Verformung genauer anschauen, wollen wir klären, was die mechanische Beanspruchung ist, die die Verformung verursacht. Mechanische Beanspruchung ist die Einwirkung von Kräften oder Momenten auf feste Körper. Die Spannung ist das Maß für die mechanische Beanspruchung und ergibt sich aus dem Verhältnis von Beanspruchungshöhe und Querschnittsfläche.
Normalspannung
Die Normalspannung wirkt senkrecht auf die Querschnittsfläche des Werkstoffs.
Zugspannung & Druckspannung – Formeln
Biegespannung – Formel
Tangentialspannung
Die Tangentialspannung wirkt in der Ebene und bewirkt eine gegenseitige Verschiebung zweier Bereiche im Werkstoff.
Scherspannung – Formel
Einheit der Spannung
Bei einer Spannung gilt immer das Prinzip von Ursache und Wirkung. Die Spannung ist die Ursache für eine Formänderung. Jede Spannung bewirkt zumindest kurzfristig eine bleibende Änderung der Form.
Elastische Verformung / Reversible Verformung
Die elastische Verformung tritt nur solange auf, wie eine Spannung auf das Bauteil einwirkt. Der Werkstoff verhält sich rein elastisch und die Formänderung geht nach der Entlastung wieder auf den Wert 0 zurück. Bei einer Feder, die den elastischen Bereich vollständig ausnutzt, kann die Verformung durch den Federweg in Abhängigkeit von der Federkraft dargestellt werden. Duktile Werkstoffe haben eine gute Elastizität, während spröde Werkstoffe eine geringe Elastizität aufweisen.
Plastische Verformung / Irreversible Verformung
Plastische Verformung tritt auf, wenn nach der Entlastung eines Werkstoffs bei vorangegangener Belastung eine Formänderung bestehen bleibt. Die irreversible Verformung bleibt auch dann bestehen, wenn keine Spannung mehr auf den Werkstoff einwirkt. An Maschinenteilen, Konstruktionsteilen oder Fahrzeugteilen darf keine irreversible Formänderung auftreten, da dies die Sicherheit und Funktionalität der Bauteile gefährden würde. Die mechanischen Spannungen müssen kleiner sein als die maximal zulässigen Spannungen, um eine bleibende Verformung zu vermeiden.
Fließvorgang
Der Fließvorgang tritt auf, wenn die Fließgrenze im Werkstoff überschritten wird und Versetzungen in Gleitebenen wandern. Bereits vorhandene Versetzungen erhöhen die Fließspannung und behindern die Bewegung neuer Versetzungen.
Verfestigung
Die Verfestigung entsteht durch das Aufstauen von Versetzungen in identischen Gleitebenen. Dies erhöht den Verformungswiderstand und führt zu Spannungsfeldern im Werkstoff. Eine Umformung des Werkstoffs geht auch mit einer Änderung der mechanischen/physikalischen Eigenschaften einher.
Diese sind die Grundlagen zur elastischen und plastischen Verformung von Werkstoffen. Es ist wichtig, die Eigenschaften und Grenzen der Werkstoffe zu kennen, um sicherzustellen, dass Bauteile ihre Funktion erfüllen und keine bruchbedingten Schäden auftreten.
