Materialfestigkeiten im Maschinenbau

Als wir uns vor einigen Beiträgen unser Beispiel der Statik angesehen haben, war es zweckmäßig, den Brückenträger als vollkommen starr zu betrachten. In der realen Welt ist ein Brückenbalken nicht perfekt starr. Wenn es äußeren Kräften ausgesetzt wird, wie z. B. dem Gewicht eines in der Mitte sitzenden Lastwagens, besteht die Tendenz, dass er sich biegt, verzieht oder seine Form ändert. Wenn äußere Kräfte Biegungen und Verformungen verursachen, die für das Brückenträgermaterial zu groß sind, kollabiert es.

Bei der Analyse der Festigkeiten von Materialien müssen Ingenieure die typischen Spannungen berücksichtigen, die während des Gebrauchs in Objekten wie Brückenträgern, Flugzeugflügeln, Bolzen und Maschinenteilen auftreten. Die Spannung ist ein Maß für die pro Flächeneinheit einer Oberfläche ausgeübte Kraft. Sobald die Spannungen bekannt sind, wird ein Material ausgewählt, das stark genug ist, um zu verhindern, dass sich das Objekt verbiegt, quetscht, dehnt und / oder bricht.

Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein Beispiel für eine einfache Belastung. Angenommen, Sie möchten eine Halsstange für eine Autobahnbrücke wie die in Abbildung 1 gezeigte entwerfen. Die Spezifikationen erfordern, dass die Stange einen Durchmesser von zwei Zoll hat. Ihr Zweck ist es, die Seiten der Brücke zusammenzuhalten, wenn Fahrzeuge sie überqueren.

Fachwerk

Abbildung 1

Angenommen, die Brücke muss den Verkehr zur und von der Eisenmine bewältigen. Stellen Sie sich das Szenario vor, in dem einem mit Eisenerz beladenen LKW das Benzin ausgeht und er mitten auf unserer Brücke anhält. Unter dieser Last zeigt die statische Analyse, dass sich die Seiten der Brücke trennen möchten, wodurch eine Belastung von 50.000 Pfund (Lbf.) Auf den Halsstab ausgeübt wird (siehe Abbildung 2).

Ölmessstab

Figur 2

Da die auf die Bewehrung wirkende äußere Kraft und der Durchmesser der Stange selbst angegeben sind, müsste der Ingenieur einfach das geeignete Material für die Stange auswählen, das innerhalb der gewünschten Parameter liegt, dh um unsere Stange zu halten Wege zu trennen, wenn sich erwartete Stressfaktoren wie ein schwerer Lastwagen auf der Brücke treffen.

Der erste Schritt wäre die Berechnung der Zugspannung innerhalb des Stabes. Mit Zugspannung meine ich die Spannung in der Stange aufgrund der Kräfte, die versuchen, sie zu trennen. In unserem Beispiel ist dies relativ einfach zu bewerten:

Stress = [Tensile Force] ÷ [Lateral Cross Sectional Area of the Rod]

Der seitliche Querschnitt des Stabes ist rund, so dass seine Fläche πd betragen würde2 geteilt durch 4, wobei der griechische Buchstabe π (Pi) einen Wert von 3,1416 hat und d der Durchmesser des Stabes ist. Daher wäre die Zugspannung:

Stress = [50,000 Lbf.] ÷ [π × (2 in.)2 ÷ 4] = 15.915,49 Lbf./in.2

Wenn der Ingenieur die Beanspruchung innerhalb der Stange kennt, muss er ein geeignetes Stangenmaterial auswählen, das stark genug ist, um die Arbeit zu erledigen. Nehmen wir in unserem Fall an, wir stellen fest, dass Stahl das beste Material ist. Aber welche Art von Stahl?

Nun, es gibt technische Handbücher mit Tabellen, in denen die mechanischen Eigenschaften aller Arten von Materialien, einschließlich Metallen und Kunststoffen, aufgeführt sind, und zusammen mit diesen Eigenschaften ist ihre Fähigkeit aufgeführt, mit Spannungen umzugehen. Diese mechanischen Eigenschaften wurden in Labortests bestimmt, in denen sorgfältig bearbeitete Proben der Materialien gemessenen Spannungen ausgesetzt wurden, bis sie sich verformten und brachen. Dazu gehören Streckgrenze und maximale Festigkeit. Diese Ergebnisse wurden ordnungsgemäß aufgezeichnet, damit zukünftige Ingenieure keine unabhängigen Tests für gängige Materialien durchführen müssen.

Die Elastizitätsgrenze ist die Spannung, die gemessen wird, wenn sich der Prüfling zu dehnen beginnt, ohne dass eine signifikante Kraftzunahme auf ihn ausgeübt wird. Die Endfestigkeit ist die maximale Belastung, der das Material in der Testprobe standhalten kann, bevor es zu versagen beginnt, dh es reißt, bricht, kollabiert.

Unser Ingenieur würde die ihm zur Verfügung stehenden mechanischen Eigenschaftstabellen verwenden, um die richtige Stahllegierung auszuwählen, die unseren Kriterien entspricht, dh eine ausreichend hohe Festigkeit über den berechneten 15.915,49 Lbf./in aufweist.2 Zugspannung, um einen ausreichenden Sicherheitsfaktor zu gewährleisten. Sicherheitsfaktoren sind in technischen Büchern für Streckgrenze und Höchstgrenze aufgeführt und werden basierend darauf ausgewählt, wie Kräfte auf ein Bauteil oder einen Teil einer Maschine ausgeübt werden (z. B. konstant, variabel oder stoßfest).

Wenn die Stärken der Materialanalyse darin bestehen, komplexe statische und dynamische Probleme zu lösen, werden die Dinge etwas unkomplizierter. Und wenn es um Komponenten geht, die ungewöhnliche Formen und eine Kombination von Spannungen aufweisen, beispielsweise aufgrund von Kompression und Torsion, werden die Dinge noch komplexer. In jedem Fall müssen Ingenieure über umfassende Kenntnisse der Materialeigenschaften verfügen, um die Faktoren vorhersehen zu können, die in realen Szenarien wie dem von uns diskutierten eine Rolle spielen.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum manche Stähle hart und spröde sind und andere weich und flexibel? Nun, unser nächstes Diskussionsthema wird die Materialwissenschaft sein, die Untersuchung, wie Metalllegierungen und Polymere gebildet werden, um spezifische Eigenschaften zu haben.

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