Spannung und Dehnung: Alles, was Sie wissen müssen
Spannung und Dehnung sind zwei Begriffe, die unterschiedlich und gleichzeitig verwandt sind. Es ist entscheidend, ihre Beziehung zu verstehen, damit die Materialauswahl für verschiedene relevante Anwendungen getroffen werden kann.
Der folgende Artikel befasst sich mit den Unterschieden zwischen den Begriffen Spannung und Dehnung und ihrer Bedeutung für die Auswahl der Materialien und die Auslegung der Konstruktion. Also, lasst uns lesen.
Was ist Stress?
Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die auf ein bestimmtes Material wirkt. Sie definiert auch die Art und Weise, wie Materialien reagieren, wenn sie bestimmten Belastungsbedingungen ausgesetzt sind. Innerhalb eines Objekts treten verschiedene Arten von Spannungen auf.
Arten von Stress
Die beiden häufigsten Formen von Stress sind die folgenden:
Zugspannung
Zugspannungen treten auf, wenn ein Gegenstand herausgezogen wird, da sie eine Längenzunahme bewirken. Wenn z. B. ein Stab gezogen oder ein Draht durch Kräfte in entgegengesetzter Richtung von beiden Enden aus gedehnt wird, dehnt er sich nach außen.
Druckspannung
Druckspannung tritt auf, wenn das Objekt gedrückt wird und sich die Länge verringert. Zum Beispiel, wenn ein Stab oder ein Draht zusammengedrückt wird, wenn er von beiden Enden durch entgegengesetzte und gleiche Kräfte gedrückt wird.
Wie Spannung in Materialien funktioniert
Spannungen in einem Material entstehen, wenn das Material eine Verformungskraft erfährt. Sie erzeugt eine angewandte Kraft, und dies kann entweder eine elastische Verformung sein, die reversibel ist, oder eine Leistungsverformung, die stattfindet.
Die Atome des Materials widerstehen den äußeren Kräften aufgrund der vorhandenen Bindungen, die in der entgegengesetzten Reaktion eine Kraft erzeugen.
Bei einer einfachen Zugkraft wird ein Material auch dann, wenn es von einem Ende her gedehnt wird, in Form von Spannungen in beiden Dimensionen reagiert. Es wird also in einer Richtung gedehnt und in der anderen zusammengezogen.
Wie die Spannung von Materialien gemessen wird
Da es unmöglich ist, die Spannung direkt zu messen, werden stattdessen die Verformungen und die angewandten Kräfte gemessen. Um Verformungen zu messen, ist es sehr wichtig, die Beziehung zwischen Verformung und Kraft zu verstehen.
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Verformung, die durch Dehnungsmessstreifen, Kraftmessdosen, Photoelastizität und Ultraschallprüfung durchgeführt werden können.
Sobald Sie die Größe der Kraft kennen, können Sie die Spannungsgleichung zur Berechnung der Spannung verwenden. Die Gleichung lautet σ=F/A.
Die Analyse von Spannungen wirkt sich auf die Kräfte aus, die ein Objekt ertragen kann. Es ist sehr wichtig, diese zu ermitteln, damit die Materialauswahl entsprechend getroffen werden kann.
Was ist Dehnung?
Die Dehnung misst die Materialverformung, die unter dem Einfluss einer äußeren Kraft auftritt. Sie berücksichtigt auch das Ausmaß der Verformung, die in einem Material stattfindet, das die Spannung durchläuft.
Die Dehnung ist das Maß für die Änderung der Länge eines Materials in Bezug auf die ursprüngliche Abmessung und ist eine einheitenlose Größe.
Arten von Dehnungen
Die beiden Formen der Belastung sind wie folgt:
Zugdehnung
Die Zugbeanspruchung findet statt, wenn ein Material gedehnt oder gestreckt wird.
Druckbedingte Dehnung
Druckbelastungen treten auf, wenn das Material verkürzt oder gestaucht wird.
Wie Dehnung in Materialien funktioniert
Bei Einwirkung einer äußeren Kraft verformt sich das Material, und diese Verformung wird als Dehnung bezeichnet. Das Verhalten bzw. die Verformung eines Materials unter Belastung hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. Materialart, Zusammensetzung, Richtung und Ausmaß.
Es gibt drei Möglichkeiten, wie sich die Materialien verformen können, wenn sie einer Belastung ausgesetzt sind, und zwar wie folgt:
- Elastische Verformung liegt vor, wenn sich ein Material unter Spannung verformt, aber seinen eigentlichen Raum wieder einnimmt, wenn die Spannung nachlässt.
- Die plastische Verformung ist eine dauerhafte Verformung, und wenn sich die Form eines Materials unter Belastung ändert, erholt es sich nicht mehr.
- Zu einem Bruch kommt es, wenn die aufgebrachte Spannung größer ist als die Festigkeit des Materials, was zu einem Versagen oder Bruch führt.
Wie die Dehnung von Materialien gemessen wird
Es gibt viele Methoden, mit denen die Dehnung gemessen werden kann. Die bekanntesten sind Dehnungsmessstreifen und Dehnungsaufnehmer.
Beides sind Richtungsmethoden, weitere Methoden sind piezoelektrische Sensoren und digitale Bildkorrelation.
Beispiele für Spannung und Dehnung bei verschiedenen Materialien
Jedes Material reagiert anders auf Spannung und Dehnung, und in diesem Abschnitt werden die Reaktionen von Metallen und Polymeren beleuchtet:
Metalle
Einige duktile Metalle wie rostfreier Stahl und andere Legierungen neigen dazu, sich unter Belastung zu verformen. Spröde Metalle, wie Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, brechen dagegen schon bei einer geringen Verformung.
Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hingegen verbiegt sich, wenn er bis zum Erreichen der Streckgrenze beansprucht wird; er wird verformt und damit kaltverfestigt.
Polymere
Das Verhalten von Spannung und Dehnung in Polymeren ist sehr unterschiedlich. Ein sprödes Polymer wird elastisch verformt, während es bei stärkerer Zugbelastung zu einem Bruch kommen kann. Dieser Punkt stellt die Zugfestigkeit in Form eines Spannungswertes dar.
Einige Elastomere, wie z. B. Kautschuk, können sich nach einer Beanspruchung wieder auf ihren eigentlichen Punkt zurückbewegen, und wenn sie bis zur Bruchstelle gedehnt werden, brechen sie.
Das Verhältnis von Stress und Belastung zueinander
Die Spannung und die Dehnung sind so miteinander verbunden, dass das eine das andere bedingt. Der Elastizitätsmodul beschreibt, wie Spannung und Dehnung zueinander in Beziehung stehen.
Das elastische Modell bezieht sich auf die Spannung, die auf eine Materialwas zu einer Dehnung führt, und diese Beziehung wird auch durch das Hooke'sche Gesetz beschrieben. Diesem Gesetz zufolge sind Spannung und Dehnung direkt proportional zueinander, vorausgesetzt, das Material ist elastisch.
Diese Beziehung wird mathematisch wie folgt ausgedrückt:
σ = E* ε
Die Spannungs-Dehnungs-Kurve
Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung hat einige wichtige Begriffe, die Teil der Spannungs- und Dehnungskurve sind, und diese sind wie folgt:
Die elastische Region
Elastische Bereiche sind die Bereiche der Verformung, und in diesem Bereich kehren die Materialien in ihre eigentliche Form zurück, wenn die Spannung aufgehoben wird.
Fließgrenze
Sie beschreibt den Punkt der Materialverformung. Die an diesem Punkt vorhandene Spannung wird als Streckgrenze bezeichnet.
Die Kunststoffregion
Der plastische Bereich ist der Bereich, der nach der Fließgrenze beginnt, und die Verformung, die in diesem Bereich stattfindet, ist dauerhaft.
Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength)
Höchste Zugfestigkeit ist die maximale Belastungsgrenze des Materials. Dieser Punkt auf der Kurve zeigt, wo die Einschnürung auftritt.
Einschnürung
Einschnürung ist der Bereich in der Spannungs- und Dehnungskurve, der eine größere Verformung aufweist.
Fraktur
An diesem Punkt neigt das Material dazu, zu brechen.
Schlussfolgerung
Der obige Leitfaden zeigt einen detaillierten Unterschied zwischen Spannung und Dehnung und wie beide zusammenhängen. Wenn Sie Komponenten mit hoher Genauigkeit und ohne Verformung herstellen lassen möchten, können Sie sich mit uns in Verbindung setzen unter DEK.
Wir verstehen das Prinzip von Spannung und Dehnung und wählen daher das richtige Material mit dem richtigen Verfahren für Ihre gewünschten Anwendungen.
