Spannung (Kraft pro Fläche, σ = F/A) verursacht Verformung (Verformung relativ zur ursprünglichen Dimension, ε = ΔL/L). Die Spannungs-Verformungs-Beziehung definiert das mechanische Verhalten eines Materials.
Verformungstypen
- Elastische Verformung: Reversibel; Material kehrt in die ursprüngliche Form zurück, wenn die Spannung entfernt wird. Regiert durch Hookes Gesetz (σ = Eε) bis zur Proportionalitätsgrenze. Youngs Modul (E) = Steifigkeit.
- Plastische Verformung: Permanent; tritt jenseits der Streckgrenze auf. Getrieben durch Versetzungsbewegung in Kristallen (Gleiten, Zwillingsbildung). Beinhaltet Vergütungshärtung.
Spannungszustände und resultierende Verformung
- Zug: Dehnen → Verlängerung, Halsbildung (duktile) oder Fraktur (spröde).
- Druck: Quetschen → Verkürzung, Knicken (schlanke Elemente), Fassbildung (duktile).
- Schub: Parallele Kräfte → Winkelverzerrung (γ = τ/G).
- Biegung: Zug auf der einen Seite, Druck auf der anderen; neutrale Achse unverändert.
- Torsion: Verdrehen → Schubverformung variierend radial.
Materialeigenschaften bestimmen die Reaktion
- Duktile (Metalle, Polymere): Große plastische Verformung vor Fraktur.
- Spröde (Keramik, Glas, Grauguss): Wenig Plastizität; Fraktur nahe der elastischen Grenze.
- Viskoelastisch (Polymere, biologische Gewebe): Zeitabhängig; Kriechen, Entspannung.
Wichtige Versagenskriterien
- Streckgrenze (Einsetzen der Plastizität)
- Zugfestigkeit (maximale Spannung)
- Bruchzähigkeit (Risswiderstand)
- Ermüdungsgrenze (zyklische Belastung)
Das Verständnis von Spannungs-Verformungs-Verhalten ist grundlegend für den Ingenieurdesign und die Versagensanalyse.
