Ertragsfestigkeit im Vergleich zu Zugfestigkeit: Schlüsselmetriken in der Materialmechanik

Ertragsfestigkeit im Vergleich zu Zugfestigkeit: Schlüsselmetriken in der Materialmechanik

Das Verständnis der verschiedenen Begriffe zur Definition von Metallen ist für die korrekte Implementierung in Ihren Komponenten von wesentlicher Bedeutung. Ertragsfestigkeit und Zugfestigkeit sind zwei der wichtigsten physikalischen Eigenschaften, aber was sind diese beiden Begriffe und was ist der Unterschied zwischen ihnen?

Die Ertragsfestigkeit bezieht sich auf den Punkt, an dem ein Material aufhört, elastisch (vorübergehend) zu verformen, und beginnt plastisch (dauerhaft) zu verformen, wenn sie Stress ausgesetzt ist.

Die elastische Verformung ist, wenn ein Material gebogen, gedehnt, verdreht oder komprimiert ist und dann nach Entfernung der Last in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Eine plastische Verformung ist eine dauerhafte Verformung, wobei eine Komponente oder ein Material nach Ausübung einer Kraft die Form verändert.

Die Ertragsfestigkeit wird häufig verwendet, um die Stärke eines Materials zu definieren, da in den meisten Fällen, sobald eine Komponente deformiert ist, nicht mehr funktionsfähig ist. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften ist die Ertragsstärke eine der wichtigsten Eigenschaften bei der Angabe eines Materials für ein Projekt oder eine Komponente.

Was ist Zugfestigkeit?
Die Zugfestigkeit, die oft als UTS abgekürzt wird, ist ein Maß dafür, wie viel Spannung ein Material vor dem Brechen standhalten kann. Für Stahl ist dies typischerweise 130-140% der Ertragsfestigkeit.

Der UTS -Punkt ist nicht der Punkt, an dem das Material bricht, sondern der Punkt, an dem sich die Belastung des Materials von der globalen einheitlichen Verformung zur lokalisierten Verformung ändert, was sich als Dehnung und Verengung der Komponente manifestiert (wenn es in Spannung fehlschlägt).

Was ist der Unterschied zwischen Ertragsfestigkeit und Zugfestigkeit?
Die Ertragsfestigkeit ist der Punkt, an dem ein Material plastisch zu verformen beginnt, was bedeutet, dass es sich biegt oder dehnt, während die Zugfestigkeit die maximale Spannung ist, die einem Material standhalten kann.

Während beide Faktoren wichtig sind, wird die Ertragsfestigkeit häufiger verwendet, wenn Materialien für Komponenten angegeben werden. Dies liegt daran, dass ein Material, sobald es den Punkt der plastischen Verformung überschreitet, nicht mehr verwendet werden kann. Eine gut gestaltete Komponente wird in der Regel nur auf 50% seiner Ertragsfestigkeit im Dienst gestresst, abhängig von der Anwendung und seinem Sicherheitsfaktor.

Ist die Zugfestigkeit höher als die Ertragsfestigkeit?
In Materialien wie Weichstahl beträgt die Ertragsfestigkeit etwa 30-40% niedriger als die Zugfestigkeit, aber dies gilt nicht für alle Metalle. In spröden Materialien wie hohem Kohlenstoffstahl ist die Zugfestigkeit nur geringfügig höher als die Ertragsfestigkeit, da dem Material keine Duktilität vorliegt und daher vor dem Aufbrechen nicht viel verformt.

Wie werden Ertragsfestigkeit und Zugfestigkeit gemessen?
Zugfestigkeit und Ertragskräfte sind technische Spannungen, die als Kraft pro Fläche pro Einheit gemessen wurden, normalerweise in Pfund pro Quadratzoll (PSI) in Nordamerika und in Pascals oder Megapascals im internationalen System. Standardisierte Tests sind üblich, wobei entweder flache oder runde Testproben verwendet werden.

Ein Hydraulik- oder Schraubentester streckt die Probe, während die Spannung und den Anstieg erfasst wird. Die meisten homogenen Metalle haben eine lineare Stress-Dehnungs-Beziehung bis zum Ertragsfestigkeitspunkt.

Was ist die Ertragsfestigkeit gemeinsamer Materialien?

Die Stärke eines Materials hängt stark von den spezifischen Legierungselementen ab, die es enthält. Hier sind einige Beispiele für Ertrag und Zugfestigkeit gemeinsamer technischer Materialien:

Wie Sie sehen können, haben duktile Materialien wie Aluminium und Kupfer eine große Lücke zwischen ihrer Ausbeute und ihrer Zugfestigkeit, während spröde Materialien wie Stähle mit hohem Kohlenstoffwerkzeug das Gegenteil haben.

Fakten über Zugfestigkeit
Wolfram hat die höchste Zugfestigkeit aller Metalle mit etwa 980 MPa.

Einige sehr duktile Metalle wie Gold haben eine Streckgrenze, die höher ist als ihre Zugfestigkeit, da sie bei niedrigeren Belastungen an Nacken hacken, aber erheblich mehr dehnen können als Metalle wie Stahl.

Obwohl die Spinnenseide eine Zugfestigkeit von nur 1,5 GPa hat, ist sie fünfmal stärker als Stahl.