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Festigkeit

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Mechanische Eigenschaft von technischen Werkstoffen: Bezüglich metallischer Werkstoffe wie austenitischen Edelstahllegierungen oder Polymerwerkstoffen ist die Festigkeit stets ein Maß für die mechanische Widerstandsfähigkeit eines Bauteils gegenüber angelegten mechanischen Spannungen wie Normalspannungen und / oder Schubspannungen bzw. entsprechenden dreidimensionalen Vergleichsspannungen infolge äußerer Belastungen, wobei angelegte mechanische Spannungen stets auch entsprechende Dehnungen (Dehnverhalten) verursachen. Je nach einwirkender Spannung unterscheidet man Zugfestigkeit σ in N/mm2, Druckfestigkeit τ in N/mm2, Elastizitätsmodul E in N/mm2 etc. Zulässige Grenzspannungen sind dabei i. Allg. dort angesiedelt, wo elastische Verformungen in plastische Verformungen überzugehen drohen und dem Bauteil z. B. Bruchversagen (Gewaltbruch) droht. Die Festigkeitskennwerte von Edelstahllegierungen sind z. B. im Stahlschlüssel übersichtlich aufgelistet (z. B. 1.4404: σ0,2 = 190 N/mm2, σ1,0 = 225 N/mm2; σB = 490–690 N/mm2).

Speziell bei (zähen) (Zähigkeit) Werkstoffen, bei denen die Fließspannung (exakter: der Übergang zwischen elastischem und plastischem Bereich) nicht genau definiert werden kann, werden Hilfsgrößen verwendet:

σ0,2 = Spannung bei 0,2 % plastischer Dehnung

σ1,0 = Spannung bei 1,0 % plastischer Dehnung

Auch für technische Bauteile aus Kunststoff ist die mechanische Festigkeit, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und auch von der Zeit (Kriechverhalten), eine wesentliche Konstruktionsgröße. Grundsätzlich beträgt die vergleichbare Zugfestigkeit bei Raumtemperatur ca. 1/10 bis 1/15 und der E-Modul ca. 1/2001/1.000 der Zugfestigkeit bzw. des E-Moduls austenitischer Edelstahllegierungen wie z. B. 1.4404.

Die Temperatureinsatzgrenze bei vielen Polymerwerkstoffen liegt bei < 100 °C, wobei bereits ab 50–60 °C erhebliche Eigenschaftsreduzierungen hinsichtlich der zulässigen Festigkeitskennwerte hingenommen werden müssen. Dies ist allerdings verständlich, wenn man bedenkt, dass die Schmelz- / Erweichungstemperatur bei den meisten Polymeren bei 150–180 °C liegt.

Neben den Festigkeitsgrößen für technische Werkstoffe bei statischer Belastung ist auch auf die Festigkeitsgrößen bei dynamischer Belastung (Dauerfestigkeit) hinzuweisen.

Abb. F 1: Schematische Darstellung von Spannungsgrößen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Zugversuchs zur Ermittlung der Zugfestigkeit des Werkstoffs. (Quelle: G. Henkel)

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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