Biegekraft

Er vertritt

Strukturwerkstoffe sind einer Vielzahl von Kräften ausgesetzt, von Zug- und Druckkräften bis hin zu Biegung und Torsion. Die Biegefestigkeit ist eines der wichtigsten Leistungskriterien für Werkstoffe in Industrie und Technik. Anders ausgedrückt: Sie beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, Biegebelastungen standzuhalten. Diese Eigenschaft ist in vielen Branchen von entscheidender Bedeutung, darunter im Bauwesen, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Keramik-, Verbundwerkstoff- und Polymerindustrie.

Ermittlung der Biegekraft

Die Biegefestigkeit ist definiert als die maximale Biegespannung, der ein Material standhalten kann, bevor es versagt. Vereinfacht ausgedrückt charakterisiert dieses Kriterium die Fähigkeit eines Materials, Biegung oder Versagen unter Biegebelastung zu widerstehen .

Einige Quellen verwenden andere Begriffe, wie zum Beispiel:

Bruchkoeffizient
Biegekraft
Biegebruchfestigkeit

Es wird auch verwendet, um dieselbe Eigenschaft zu bezeichnen.

Die Bedeutung der Biegefestigkeit

Warum ist es wichtig, diese Funktion zu testen?

Tragwerksplanung: Balken, Decken und Bauelemente sind ständig Biegebelastungen ausgesetzt.
Verbundwerkstoffe und Polymere: Bei vielen Leichtbauteilen ist die Biegefestigkeit ein wichtiges Kriterium bei der Materialauswahl.
Automobil- und Luftfahrtindustrie: Autokarosserien und Flugzeugflügel müssen sowohl biege- als auch dehnungsbeständig sein.
Spröde Materialien wie Keramik und Beton: Diese Materialien haben typischerweise eine hohe Druckfestigkeit, aber eine geringe Biegefestigkeit.

Faktoren, die die Biegefestigkeit beeinflussen

Die Biegefestigkeit eines Materials wird von mehreren Faktoren beeinflusst:

Chemische Zusammensetzung des Materials: der Kohlenstoffgehalt von Stahl, die Zusatzstoffe in einem Polymer oder der Faseranteil in einem Verbundwerkstoff.
Mikrostruktur: Korngröße, Phase und Faserorientierung.
Probengröße: Die Dicke und Breite der Probe haben einen direkten Einfluss auf die Ergebnisse.
Oberflächenzustand: Risse , Kratzer und Oberflächenfehler verringern die Biegefestigkeit.
Umgebungsbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit, Kontakt mit ätzenden Materialien.
Belastungsmethode: Dreipunkt- oder Vierpunkttest.

So messen Sie die Biegekraft

1. Dreipunkt-Biegeversuch

Bei dieser Methode wird die Probe auf zwei Stützen gelegt und in der Mitte eine Last aufgebracht. Das Verfahren ist relativ einfach, die Spannung konzentriert sich jedoch in der Mitte der Probe.

2. Vierpunkt-Biegeversuch

Bei dieser Methode wird die Last mithilfe von zwei gleichmäßig verteilten Blöcken aufgebracht, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung über einen größeren Probenbereich gewährleistet wird. Diese Methode bietet eine hohe Genauigkeit und eignet sich besser für heterogene Materialien wie Verbundwerkstoffe.

Formel zur Berechnung der Biegefestigkeit

a) Drei-Punkte-Test

$σf=3FL2bd2\sigma_f = \frac{3FL}{2bd^2}$

b) Vier-Punkte-Inspektion

$σf=3FL4bd2\sigma_f = \frac{3FL}{4bd^2}$

Wo:

$F$ : Bruchlast (Newton)
$L$ : Abstand zwischen zwei Stützen (mm)
$b$ : Probenbreite (mm)
$d$ : Probendicke (mm)

Eigenschaften im Zusammenhang mit der Biegefestigkeit

Biegemodul: Die anfängliche Steigung eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms beim Biegen, die die Fähigkeit eines Materials angibt, Biegeverformungen zu widerstehen.
Härte: die Menge an Energie, die vor dem Versagen absorbiert wird.
Art der Zerstörung: plastisch oder spröde.

Biegefestigkeitswerte für verschiedene Materialien

Weichstahl : etwa 250–350 MPa.
Aluminium: etwa 200–300 MPa.
Polycarbonat: etwa 80–120 MPa.
Kohlefaserverbundwerkstoffe: mehr als 500 MPa.
Keramik: Die Festigkeit liegt zwischen 100 und 300 MPa, sie ist jedoch spröde.
Beton: ca. 3–6 MPa (deutlich weniger als Metall).

Diese Werte zeigen, dass unterschiedliche Materialien je nach Aufbau sehr unterschiedliche Biegeeigenschaften aufweisen.

ASME BPVC 2023 Abschnitt 8.1

Vor- und Nachteile der Verwendung von Biegefestigkeitstests

Nutzen

Eine schnelle und einfache Möglichkeit, Materialien zu vergleichen.
Es ist möglich, spröde Materialien zu untersuchen, die nicht unter Spannung getestet werden können.
Bereitstellung nützlicher Daten für das Industriedesign.

Mangel

Die Ergebnisse hängen von der Größe und Form der Probe ab.
Ergebnisse können nur unter bestimmten Belastungsbedingungen gültig sein.
Das Vorhandensein von Rissen oder Oberflächendefekten kann die Ergebnisse erheblich beeinflussen.

Industrielle Anwendungen der Biegefestigkeit

Hoch- und Tiefbau
- Balken und Hölzer müssen eine hohe Biegefestigkeit aufweisen.
- Stahlbeton und Verbundwerkstoffe, die im Bauwesen verwendet werden, werden unter Berücksichtigung dieser Eigenschaft entwickelt.
Auto
- Rahmen und Karosserie des Fahrzeugs sind Biegebelastungen ausgesetzt.
- Durch die Wahl des richtigen Materials können Sie die Sicherheit Ihres Fahrzeugs verbessern.
Luftraum
- Flugzeugflügel und Kohlefaserkomponenten erfordern eine hohe Biegefestigkeit.
Polymere und Verbundwerkstoffe
- Leichtbauwerkstoffe sollen Metall ersetzen.
Keramikindustrie
- Geforscht wird an modernen Keramikbauteilen wie Turbinen und Biokeramik.

Zahlenbeispiel zur Berechnung der Biegekraft

Angenommen, ein Dreipunkttest wird an einer Probe mit den folgenden Abmessungen durchgeführt:

Öffnungslänge $L=100\,$
Breite $10 mm B = 10 mm$
Fisch $D = 5 mm$
Bruchlast $\, N$

Berechnen:

$120_{MPa} σf = 2 \times 10 \times 253 \times 200 \times 100 = 120 MPa$

Somit beträgt die Biegefestigkeit dieser Probe 120 MPa .

Relevante internationale Standards

ASTM D790 – Für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe.
ISO 178 – Gilt für Polymermaterialien.
ASTM C1161 – Für Keramik.
ASTM E290 – Für Metalle.

Endlich

Die Biegefestigkeit ist eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften eines Materials und wird durch seine Fähigkeit charakterisiert, unter Biegebelastungen nicht zu brechen. Diese Eigenschaft spielt eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung und Auswahl von Materialien für eine Vielzahl von Branchen, darunter Bauwesen , Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Keramik und Verbundwerkstoffe.

Ein genauer Wert für diesen Parameter kann mithilfe von Standard-Drei- und Vierpunkttests ermittelt werden. Letztendlich erleichtert ein gründliches Verständnis der Biegefestigkeit die Auswahl des geeigneten Materials für jede spezifische Anwendung und gewährleistet so die Sicherheit und Effizienz industrieller Strukturen und Anlagen.