Spannung vs. Dehnung: Alles, was Sie wissen müssen

Spannung und Dehnung sind zwei Begriffe, die sich unterscheiden und zugleich zusammenhängen. Es ist entscheidend, ihre Beziehung zu verstehen, damit die Materialauswahl für verschiedene relevante Anwendungen getroffen werden kann.

Der folgende Artikel beleuchtet die Unterschiede zwischen Spannung und Dehnung sowie ihre Bedeutung für die Materialauswahl und die Auslegung des Designs. Lesen Sie weiter.

Was ist Spannung?

Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die auf ein bestimmtes Material wirkt. Sie beschreibt auch, wie Materialien unter bestimmten Belastungsbedingungen reagieren. In einem Objekt treten verschiedene Arten von Spannung auf.

Arten von Spannung

Die zwei häufigsten Formen der Spannung sind die folgenden:

Zugspannung

Zugspannung entsteht, wenn ein Objekt auseinandergezogen wird, wodurch sich seine Länge vergrößert. Wenn beispielsweise ein Stab gezogen oder ein Draht von beiden Enden durch entgegengesetzt wirkende Kräfte gedehnt wird, streckt er sich nach außen.

Druckspannung

Druckspannung entsteht, wenn das Objekt zusammengedrückt wird und sich seine Länge verringert. Wenn beispielsweise ein Stab oder Draht von beiden Enden durch entgegengesetzte und gleich große Kräfte zusammengedrückt wird.

Wie Spannung in Materialien wirkt

Spannung in einem Material entsteht, wenn das Material einer verformenden Kraft ausgesetzt wird. Es entsteht eine wirkende Kraft, und diese kann entweder eine elastische Verformung, die reversibel ist, oder eine bleibende Verformung hervorrufen.

Die Atome des Materials widerstehen den äußeren Kräften aufgrund der vorhandenen Bindungen, wodurch eine entgegengesetzt wirkende Kraft entsteht.

Bei einer einfachen Zugkraft wird selbst dann, wenn ein Material von einem Ende gedehnt wird, die Reaktion in Form von Spannung in zwei Dimensionen beobachtet. Daher wird es in eine Richtung gedehnt und in eine andere gestaucht.

Wie die Spannung von Materialien gemessen wird

Es ist unmöglich, Spannung direkt zu messen, daher werden stattdessen die Verformungen und die wirkenden Kräfte gemessen. Um die Verformung zu messen, ist das Verständnis der Beziehung zwischen Verformung und Kraft sehr wichtig.

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Verformung, etwa über Dehnungsmessstreifen, Kraftmessdosen, Spannungsoptik und Ultraschallprüfung.

Sobald Sie die Größe der Kraft kennen, können Sie die Spannungsgleichung verwenden, um die Spannung zu berechnen. Die Gleichung lautet σ=F/A.

Die Spannungsanalyse beeinflusst, welche Kräfte ein Objekt aufnehmen kann. Es ist sehr wichtig, diese zu ermitteln, damit die Materialauswahl entsprechend getroffen werden kann.

Was ist Dehnung?

Die Dehnung misst die Verformung eines Materials, die unter dem Einfluss einer äußeren Kraft auftritt. Sie berücksichtigt auch das Ausmaß der Verformung, das in einem Material unter Spannung entsteht.

Die Dehnung ist das Maß für die Änderung der Länge eines Materials im Verhältnis zur ursprünglichen Abmessung und ist eine dimensionslose Größe.

Arten von Dehnung

Zugdehnung

Die Zugdehnung entsteht, wenn ein Material verlängert oder gedehnt wird.

Druckdehnung

Druckdehnung entsteht, wenn das Material verkürzt oder zusammengedrückt wird.

Wie Dehnung in Materialien wirkt

Bei Einwirkung einer äußeren Kraft verformt sich das Material, und diese Verformung ist die Dehnung. Das Verhalten bzw. die Verformung des Materials unter Spannung hängt von vielen Faktoren ab, wie Materialart, Zusammensetzung, Richtung und Größe.

Materialien können sich unter Spannung auf drei Arten verformen; diese sind wie folgt:

• Elastische Verformung entsteht, wenn sich ein Material unter Spannung verformt, aber seine ursprüngliche Form zurückgewinnt, wenn die Spannung nachlässt.
• Plastische Verformung ist eine bleibende Verformung, und wenn sich die Form eines Materials unter Spannung ändert, bildet sie sich nicht zurück.
• Bruch entsteht, wenn die wirkende Spannung größer ist als die Festigkeit des Materials, was zum Versagen oder Bruch führt.

Wie die Dehnung von Materialien gemessen wird

Es gibt viele Methoden zur Messung der Dehnung, die bekanntesten sind Extensometer und Dehnungsmessstreifen.

Beide sind richtungsabhängige Verfahren; darüber hinaus gibt es weitere Methoden wie piezoelektrische Sensoren und die digitale Bildkorrelation.

Beispiele für Spannung-Dehnung-Kurven verschiedener Werkstoffe

Jeder Werkstoff reagiert anders auf Spannung und Dehnung. Dieser Abschnitt zeigt das Verhalten von Metallen und Polymeren:

Metalle

Einige duktile Metalle wie Edelstahl und andere Legierungen neigen dazu, sich unter Spannung zu verformen. Spröde Metalle wie kohlenstoffreicher Stahl brechen dagegen bereits bei geringer Verformung.

Kohlenstoffarmer Stahl hingegen biegt sich unter Spannung, bis eine Streckgrenze erreicht ist; er wird verformt und dabei kaltverfestigt.

Polymere

Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Polymeren ist sehr vielfältig. Ein sprödes Polymer wird elastisch verformt, bei weiterer Zugbelastung kann es jedoch zum Bruch kommen. Dieser Punkt entspricht der Zugfestigkeit als Spannungswert.

Einige Elastomere wie Gummi kehren nach einer Belastung in ihre ursprüngliche Form zurück; wird die Belastung bis zum Bruchpunkt gesteigert, reißen sie.

Wie Spannung und Dehnung zusammenhängen

Spannung und Dehnung sind so miteinander verknüpft, dass eine Größe die andere bedingt. Der Elastizitätsmodul beschreibt, in welchem Verhältnis Spannung und Dehnung zueinander stehen.

Das elastische Modell beschreibt die Spannung, die auf einen Werkstoffwirkt und eine Dehnung hervorruft; dieses Verhältnis wird auch durch das Hookesche Gesetz beschrieben. Nach diesem Gesetz sind Spannung und Dehnung direkt proportional zueinander, sofern der Werkstoff elastisch reagiert.

Dieser Zusammenhang lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:

Die Spannungs-Dehnungs-Kurve

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung umfasst einige wichtige Begriffe, die Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve sind. Diese sind:

Der elastische Bereich

Der elastische Bereich ist der Bereich der Verformung, in dem die Werkstoffe nach Wegfall der Spannung wieder ihre ursprüngliche Form annehmen.

Streckgrenze

Sie beschreibt den Punkt der Werkstoffverformung. Die an diesem Punkt wirkende Spannung wird als Streckgrenze (Fließgrenze) bezeichnet.

Der plastische Bereich

Der plastische Bereich beginnt nach der Streckgrenze; die Verformung in diesem Bereich ist dauerhaft.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannungsbelastbarkeit eines Werkstoffs. Dieser Punkt auf der Kurve ist dort zu erkennen, wo die Einschnürung beginnt.

Einschnürung

Die Einschnürung ist der Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve, in dem eine stärkere Verformung auftritt.

Bruch

An diesem Punkt kommt es zum Bruch des Werkstoffs.

Fazit

Der obige Leitfaden zeigt die detaillierten Unterschiede zwischen Spannung und Dehnung sowie deren Zusammenhang. Wenn Sie Bauteile mit hoher Genauigkeit und ohne Verformung fertigen lassen möchten, können Sie sich an uns wenden unter DEK.

Wir verstehen die Prinzipien von Spannung und Dehnung und wählen daher den richtigen Werkstoff und das passende Verfahren für Ihre Anforderungen.