Mechanische Eigenschaften

Wenn du dich in deiner Ausbildung gerade mit den Eigenschaften von Werkstoffen beschäftigst, sind dir die mechanischen Eigenschaften bestimmt schon mal begegnet.

Aber was gehört alles zu den mechanischen Eigenschaften? Wieso gibt es sie überhaupt und was erfahren wir dadurch? Das solltest du auf jeden Fall wissen, wenn du eine Prüfung schreibst.

simpleclub hilft dir dabei, die mechanischen Eigenschaften im Detail zu verstehen!

Mechanische Eigenschaften einfach erklärt

Jeder Werkstoff hat bestimmte Eigenschaften, durch die man ihn von anderen unterscheiden kann. Insgesamt kann man in die mechanischen, technologischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden, die einem dann helfen den passenden Werkstoff für Konstruktionen auszuwählen. Die mechanischen Eigenschaften gehören zu den entscheidenden Auswahlkriterien. Sie beschreiben sozusagen, wie bestimmte Werkstoffe auf Belastungen aus der Umgebung reagieren.

Zu den mechanischen Eigenschaften zählen die Dichte, Festigkeit, Elastizität, Plastizität und Härte. Ist ein Werkstoff einer Belastung ausgesetzt, verändert er sich. Die Dichte gibt dir an, wie schwer etwas ist und wie viel Platz es einnimmt. Bei der Festigkeit geht es darum, wie viel Druck etwas aushalten kann. Hätte man z. B. eine Hose könnte man schauen wie lang man an der Hose ziehen kann bis sie reißt. Die Elastizität und Plastizität sind ein bisschen so wie eine Matratze. Wenn man sich abends ins Bett legt, gibt die Matratze nach und passt sich an. Wenn man morgens dann aufsteht, geht sie langsam wieder in den Ausgangszustand zurück. Ist sie jedoch schon sehr alt kann es passieren, dass sie eine Mulde bildet und nicht mehr in den alten Zustand zurückkehrt.

Mechanische Eigenschaften Definition

Mechanische Eigenschaften Überblick

Dichte

Unter der Dichte (Formelzeichen ϱ) versteht man das Verhältnis der Masse zum Volumen, also \text ϱ = \frac{\text {m}}{\text {V}}$\text ϱ = \frac{\text {m}}{\text {V}}$.

Die Dichte, die sich aus der Formel ergibt, wird dann in \frac {\text{kg}}{\text {dm}^3}$\frac {\text{kg}}{\text {dm}^3}$ , \frac{\text{ t}}{\text{ m}^3}$\frac{\text{ t}}{\text{ m}^3}$ oder \frac{\text{ g}}{\text{cm}^3}$\frac{\text{ g}}{\text{cm}^3}$ angegeben.

Die Dichte ist besonders bei dem Gewicht von Konstruktionen wichtig. Baut man z. B. ein Flugzeug, ist ein leichtes Material von Bedeutung. Darum wird hier auf Werkstoffe mit einer geringen Dichte zurückgegriffen.

Festigkeit

Mit der Festigkeit wird angegeben, wie belastbar ein Werkstoff ist. Dabei nimmt man ein Werksstück, übt die größtmögliche Belastung darauf aus und misst das Verhältnis zum Querschnitt. Die Angabe wird dann in \frac{\text N}{\text m\text m^{2}}$\frac{\text N}{\text m\text m^{2}}$ angegeben.

In einem Werkstoff halten sich die kleinsten Teilchen durch die Kohäsionskräfte sozusagen aneinander fest. Die tragen auch dazu bei, dass die Werkstoffteilchen sich bei Belastung nicht direkt trennen. Das passiert erst bei Überlastung der Kohäsionskräfte.

Die Kraft, die benötigt wird, um die Teilchen zu trennen, hängt vom Werkstoff und Querschnitt ab. Ist der Querschnitt größer, so ist er auch belastbarer.

Je nach Art der Belastung kann es auch zu unterschiedlichen Widerständen kommen. Zwei bekannte Prüfverfahren sind:

Elastizität

Bei der Elastizität geht es darum, dass ein Werkstoff nach Belastung wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt.

Wird Kraft auf ein Werkstück ausgeübt, kommt es zu einem geringeren oder größeren Abstand zwischen den einzelnen Teilchen und die Form des Werkstoffs verändert sich. Geht die Belastung zurück, gehen die Teilchen wieder zu ihrem ursprünglichen Standort und das Werkstück nimmt die alte Form wieder an.

In der Realität sieht das aber teilweise anders aus. Das liegt z. B.:

• an der begrenzten Elastizität von Werkstoffen
• am Überschreiten von Elastizitätsgrenzen, was zu Bruch oder Verformung führt

Die Elastizität wird mithilfe des Elastizitätsmodul (kurz: E-Modul) angegeben. Ein hohes E-Modul bedeutet, dass ein Werkstoff steif ist und ein niedriger eine Nachgiebigkeit.

Plastizität

Unter der Plastizität versteht man, dass sich ein Werkstoff in festgelegten Grenzen umformen lässt. Anders als bei der Elastizität bleibt der Werkstoff nach der Belastung im umgeformten Zustand.

Es gibt ein paar grundlegende Regeln:

• Geringer Kräfteaufwand bei Werkstoffen, die eine hohe Plastizität aufweisen
• Hohe Temperaturen steigern die Plastizität von Metallen
• Spröde Werkstoffe = Werkstoffe die bei geringer Umformung zerbrechen
• Metalle mit hoher Plastizität müssen bei Umformungen zu z. B. Rohren gewählt werden

Härte

Bei der Härte geht es um den Widerstand, den ein Werkstoff aufbringen kann. Jeder Werkstoff hat eine unterschiedliche Härte, die man durch Vergleiche ermittelt.

Der Werkstoff, der das Eindringen des anderen Werkstoffs weiter zulässt, ist dann der weichere, also mit der geringeren Härte. Besonders bei Werkzeugen ist eine große Härte wichtig.

Mechanische Eigenschaften Beispiele

Hier siehst du beispielhaft zwei Werkstoffe mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften, die du gerade kennengelernt hast. Aus diesen Eigenschaften wird ihre Nutzung abgeleitet:

Aluminium:

• Dichte: 2,7 \frac {\text{kg}}{\text {dm}^3}$\frac {\text{kg}}{\text {dm}^3}$
• Zugfestigkeit: 60 bis 95 \frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$\frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$
• E-Modul: 70.000 \frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$\frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$
• Nutzung: Bei Konstruktionen die leicht sein müssen, z. B. Flugzeugbau, Automobilindustrie, Elektrotechnik

Stahl:

• Dichte: 7,85 \frac {\text{kg}}{\text {dm³}}$\frac {\text{kg}}{\text {dm³}}$
• Zugfestigkeit: 350 \frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$\frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$
• E-Modul: 210.000 \frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$\frac{\text {N}}{\text {mm}^2}$
• Nutzung: Bauwesen, Werkzeuge und Maschinen

Mechanische Eigenschaften Zusammenfassung

Unter den mechanischen Eigenschaften sind Merkmale gemeint, durch die ein Werkstoff gegliedert werden kann. Dazu gehört die Dichte, Festigkeit, Elastizität, Plastizität und Härte.

Die Dichte gibt an, wie sich die Masse eines Objekts zu dem Volumen verhält. Das ist vor allem für das Gewicht von Werkstoffen wichtig.

Die Festigkeit gibt an, wie belastbar ein Werkstoff ist, also wie viel Kraft ausgeübt werden kann, bis er zu Bruch geht. Hier ist die Kohäsionskraft wichtig, die die einzelnen Teilchen zusammenhält. Es gibt verschiedene Prüfverfahren, mit denen man die Festigkeit ermitteln kann.

Bei der Elastizität nehmen Werkstoffe nach der Belastung wieder ihren Ausgangszustand ein. Das ist jedoch nicht unbegrenzt möglich, da jeder Werkstoff einen eigenen Wert hat, der angibt, bis zu welcher Belastung er sich zurückbildet.

Im Gegensatz dazu wird bei der Plastizität ein Werkstoff durch Kraftaufwendung in bestimmten Grenzen umgeformt und verbleibt dann in dem Zustand.

Und die Härte ist wie der Name schon sagt die Eigenschaft, die angibt, wie widerstandsfähig ein Werkstoff gegenüber einem anderen ist.

Durch die Eigenschaften kann bestimmt werden, für welche Konstruktion bzw. Nutzung ein Werkstoff geeignet ist.