Die Definition und Beschreibung der Begriffe Kraft, Spannung, elastische/plastische Verformung usw. gehören wohl eher in den Bereich Festigkeitslehre bzw. Mechanik. Da das Thema aber sehr stark mit dem Bereich der Werkstofftechnik verknüpft ist, wird das wichtigste Basiswissen in diesem Skript erläutert.
Spannung
Zunächst sollte einmal der Begriff Spannung erklärt werden:
Bauteile sind im Maschinenbau in der Regel einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, also einer Kraft oder einem Drehmoment. Diese Kräfte erzeugen im Bauteil (bzw. im Werkstoff) Spannungen. Spannung bedeutet, dass eine bestimmte Kraft auf eine bestimmte Fläche wirkt.
Die mechanische Spannung definiert sich somit als Kraft pro Fläche: δ = F/A
Das bedeutet, wenn z.B. eine Kraft auf eine große Fläche wirkt, ist die dadurch ausgelöste Spannung gering. Wenn die Kraft aber auf eine kleine Fläche wirkt, ist die Spannung vergleichsweise groß.
Verformung
Da Werkstoffe nicht vollkommen starr sind, werden sie unter Einwirkung einer Spannungen verformt. Die Verformung eines Werkstücks kann zum Beispiel in Form einer Stauchung, Dehnung, Biegung, Verdrillung etc. auftreten. Es kommt immer auf die Art der mechanischen Belastung an wie sich ein Bauteil verformt.
Die verschiedenen Werkstoffe lassen sich bekannter Weise unterschiedlich schwer oder leicht verformen. Und Werkstoffe können unterschiedlich auf Belastungen reagieren.
Für den Maschinenbau und insbesondere den Bereich Werkstofftechnik ist es sehr wichtig zwischen elastischer und plastischer Verformung zu unterscheiden. Im Folgenden die wichtigsten Infos zu diesen zwei Arten der Verformung.
Elastische Verformung
Von einer elastischen Verformung spricht man, wenn sich ein Werkstoff bzw. ein Bauteil nach einer Belastung wieder in den Ausgangszustand zurückformt. Das heißt die elastische Verformung besteht über die Zeit, in der eine entsprechende Belastung einwirkt.
Solange die Belastung nicht groß genug ist, um Atomwanderungen zu bewirken, bleibt es bei einer rein elastischen Verformung. Das Gitter des Metalls wird verformt (z.B. zusammengedrückt, gedehnt etc.), danach bewegen sich jedoch alle Atome wieder zurück in ihre ursprüngliche Lage. Bauteile sollte grundsätzlich nur so stark belastet werden, das eine elastische Verformung vorliegt. Wie man die Verformung unter eine Last berechnet, beschreibt das hookesche Gesetz.
Im folgenden Bild ist der Prozess der elastischen Verformung noch einmal schematisch dargestellt.
Plastische Verformung
Sind die Belastungen und die dadurch ausgelösten Spannungen im Bauteil zu groß, kommt es zur plastischen Verformung des Werkstoffs bzw. des Metalls. Bei der plastischen Verformung kehrt ein Bauteil nicht wieder zu 100% in die ursprüngliche Form zurück – man spricht hier auch von der Formänderung. Ein Teil der Verformung ist nach wie vor elastisch und somit reversibel, nur ein bestimmter Teil ist plastisch und bleibt dauerhaft bestehen. Ist die Kraft, die auf das Bauteil wirkt zu groß, kann es im Extremfall auch zur Zerstörung (z.B. Bruch) kommen.
Im Maschinenbau sollten Bauteile nicht so belastet werden, dass es zur plastischen Verformung kommt.
Im folgenden Bild ist der Prozess der plastischen Verformung noch einmal schematisch dargestellt.
