Kriechen Werkstoffe: Metall, Beton & Mechanik

Du befindest dich auf dem Gebiet der technischen Mechanik und stößt immer wieder auf den Begriff "Kriechen"? Hier erhältst du eine gründliche Einführung in das Kriechverhalten verschiedener Werkstoffe wie Metallen, Beton und Holz und erfährst, wie dieses Phänomen berechnet und bewertet wird. In klarer und einfacher Sprache werden die wichtigsten Aspekte des Phänomens Kriechen erläutert und seine Bedeutung für die technische Mechanik aufgezeigt. So gelingt dir ein tieferes Verständnis dieses spannenden und wichtigen Gebietes der Ingenieurwissenschaften.

Kriechen Werkstoffe: Definition

In der Ingenieurswissenschaft ist das Kriechverhalten von Materialien ein wichtiges Thema. Es bezieht sich auf die Tendenz von festen Werkstoffen, unter anhaltender Belastung zu verformen. Dieses Phänomen ist insbesondere bei hohen Temperaturen relevant und kann die Integrität und Funktionstüchtigkeit von Bauteilen erheblich beeinträchtigen.

Kriechen kann als die zeitabhängige und dauerhafte Verformung von Materialien unter einer konstanten mechanischen Belastung definiert werden.

Anders als die elastische oder plastische Verformung, tritt Kriechen bei anhaltender Belastung über lange Zeit ein. Bei dieser Verformung treten irreversiblen Strukturveränderungen auf.

Zeitabhängige Deformationen: Diese treten auf, wenn der Werkstoff kontinuierlich einer Belastung ausgesetzt ist.
Temperaturabhängige Deformationsverhalten: Hier spielen Faktoren wie Betriebstemperatur und Materialbeständigkeit eine wichtige Rolle.
Spannungsabhängige Deformationen: Diese hängen von der Größe der Belastung ab, die auf den Werkstoff einwirkt.

Ein gutes Beispiel, um das Konzept des Kriechens zu verdeutlichen, ist ein Eiswürfel, der auf einer warmen Oberfläche platziert wird; Obwohl eine anfängliche Form des Eiswürfels erhalten bleibt, beginnt es unter der Einwirkung von Wärme und Schwerkraft mit der Zeit zu 'kriechen' und seine Form zu verändern.

Einfache Erklärung von Kriechen

Das Phänomen des Kriechens kann kompliziert erscheinen, aber in der einfachsten Form bedeutet es, dass ein Material sich langsam verformt, wenn es für längere Zeit einer konstanten Kraft ausgesetzt ist. Dabei ist es wichtig zu betonen, dass die Deformation von der angelegten Spannung und der Temperatur abhängt.

Wenn du dich für die tiefergehende Betrachtung von Materialdeformationen interessierst, könnten die Theorien von Norton und Arrhenius von Interesse sein. Sie liefern Einblicke in die zeit- und temperaturabhängige Charakteristik von Kriechen und sind fundamental für die moderne Materialwissenschaft.

Verschiedene Aspekte von Kriechen bei metallischen Werkstoffen

Bei metallischen Werkstoffen kann das Kriechen in verschiedene Stadien eingeteilt werden: Primärkriechen, Sekundärkriechen und Tertiärkriechen.

Primärkriechen	Deformation bei konstanter Spannung
Sekundärkriechen	Deformationsrate ist konstant
Tertiärkriechen	Beschleunigte Deformationsrate bis zum Bruch des Werkstoffs

Zur Berechnung des Kriechverhaltens von Metallen kann die Formel von Norton-Hoff verwendet werden: \[ \dot{\varepsilon} = A \cdot \sigma^n \cdot e^{-\frac{Q}{RT}} \] Hierbei ist \(\dot{\varepsilon}\) die Kriechrate, \(\sigma\) die angelegte Spannung, \(A\) der Materialkoeffizient, \(n\) der Spannungsexponent, \(Q\) die Aktivierungsenergie, \(R\) die universelle Gaskonstante und \(T\) die absolute Temperatur. Es ist wichtig zu beachten, dass die genaue Kenntnis der Parameter \(A\), \(n\) und \(Q\) für die präzise Vorhersage des Kriechverhaltens eines Werkstoffs von großer Bedeutung ist.

Kriechen bei Beton und Holz

Das Phänomen des Kriechens ist nicht auf Metalle beschränkt. Es tritt auch bei anderen Materialien auf, darunter Beton und Holz. Bei diesen Werkstoffen kann das Kriechen in ihrer Struktur und Eigenschaften signifikante Veränderungen bewirken.

Kriechen bei Beton: Was passiert und wie kann es gemessen werden?

Beton, ein üblicherweise in der Bauindustrie verwendeter Werkstoff, ist ebenfalls dem Phänomen des Kriechens unter Spannung und über Zeit ausgesetzt. Bei Beton führt das Kriechen zu einer Zunahme der Deformation unter konstanter Belastung, die über das hinausgeht, was aufgrund der anfänglichen elastischen Verformung erwartet würde.

Diesen Prozess nennt man Kriechen von Beton. Es beinhaltet zwei Arten von Deformationen: das eigentliche Kriechen, das eine Verformung infolge der Belastung ist, und das Schwinden, das eine Verformung ohne äußere Belastung darstellt.

Kriechen bei Beton kann durch verschiedene Tests gemessen werden, die auf spezifischen Normen basieren. Diese Prüfverfahren beinhalten meistens uniaxiale Kriechtests unter konstanter Belastung.

Uniaxialer Kriechtest: Hierbei wird eine Probe aus Beton unter eine konstante axial gerichtete Drucklast gesetzt und die Deformation wird über einen bestimmten Zeitraum gemessen.
Multiaxialer Kriechtest: In diesem Fall wird der Beton gleichzeitig mehreren Belastungen ausgesetzt, um das Verhalten unter realistischeren Bedingungen zu testen.

Berechnung von Kriechen bei Beton: Ein kurzer Überblick

Die Berechnung des Kriechverhaltens von Beton kann auf der Basis des Kriechkoeffizienten erfolgen. Dabei setzt man das Kriechen in Bezug zur sofortigen elastischen Verformung. Die Formel dafür lautet: \( C(t) = \frac{{\varepsilon_{c}(t)}}{{\varepsilon_{e}}} \) Hierbei steht \( C(t) \) für den Kriechkoeffizienten, \( \varepsilon_{c}(t) \) für die Gesamtverformung zur Zeit \( t \) und \( \varepsilon_{e} \) für die sofortige elastische Verformung. Dieser Ansatz berücksichtigt jedoch nicht die komplexen physikalischen Prozesse, die während des Kriechvorgangs stattfinden. Daher gibt es verschiedenartige verbesserte Modelle zur besseren Beschreibung des Kriechverhalten von Beton.

Kriechen bei Holz verstehen und richtig bewerten

Holz ist ein anisotroper Werkstoff, das heißt, seine Eigenschaften variieren in verschiedenen Richtungen. Diese Anisotropie beeinflusst das Kriechverhalten von Holz maßgebend. Das Kriechen von Holzerfolgt hauptsächlich in Richtung der Holzfasern und ist bei konstanter Feuchte und Temperatur signifikant. Die Deformation ist hier zusätzlich stark von der Holzfeuchte und der Belastungsdauer abhängig. Es gibt eine Vielzahl von Tests zur Messung des Kriechverhaltens von Holz, wie der Biegetest und der Zugtest. Bei diesen Tests wird eine konstante Last auf das Holz ausgeübt und die Verformung über die Zeit gemessen.

Ein geläufiges Beispiel ist das Verbiegen einer Holzdiele unter konstantem Gewicht. Bei anhaltender Belastung wird das Holz mit der Zeit mehr und mehr durchhängen, das ist das Kriechen.

Wie das Kriechen bei Holzwerkstoffen berechnet wird

Für die Berechnung des Kriechens bei Holz gibt es unterschiedliche Modelle, die den individuellen Materialeigenschaften von Holz gerecht werden. Ein einfaches Modell geht von einer linearen Kriechfunktion aus, die von der Belastungsdauer abhängig ist. Die Formel zur Berechnung der Verformung (Kriechen) ist: \( \varepsilon_{c}(t) = \sigma \cdot G(t) \) Dabei ist \( \varepsilon_{c}(t) \) die Kriechdehnung, \( \sigma \) die aufgebrachte Spannung und \( G(t) \) die Kriechfunktion. Es ist wichtig zu betonen, dass diese Berechnungen lediglich eine grobe Einschätzung des Kriechverhaltens liefern. Sie vernachlässigen eine ganze Reihe von Faktoren wie die Einflüsse von Temperatur, Feuchtigkeit oder unterschiedlichen Belastungsarten. Erweiterte Modelle, unter Berücksichtigung dieser Faktoren, sind für eine genaue Vorhersage des Langzeitverhaltens von Holz unter Belastung sinnvoll.

Für ein tiefgründigeres Verständnis des Kriechverhaltens von Holz können rheologische Modelle, wie das Modell von Burger oder das Maxwell-Modell, hilfreich sein. Diese Modelle bieten einen theoretischen Rahmen zur Beschreibung mechanischer Eigenschaften von Materialien unter Dauerbelastung.

Technische Mechanik und Kriechen

Die technische Mechanik ist eine Disziplin, die sich mit der Bewegung von Körpern und der Wirkung von Kräften auf diese Körper beschäftigt. Sie ist besonders relevant beim Kriechen, weil es sich um ein Phänomen handelt, bei dem sich Materialien unter anhaltender Belastung langsam und beständig verformen. Die technische Mechanik bietet eine Vielzahl von Modellen, Methoden und Formeln, die verwendet werden können, um das Kriechverhalten von Materialien zu analysieren und zu berechnen. Sie ermöglicht es uns, die Kräfte und Spannungen zu verstehen, die während des Kriechprozesses auf das Material wirken und wie diese das Material beeinflussen. Einige der Schlüsselkonzepte, die bei der Untersuchung des Kriechens mit Hilfe der technischen Mechanik zur Anwendung kommen, sind:

Spannung und Deformation: Die technische Mechanik ermöglicht es uns, zu verstehen, wie die auf ein Material ausgeübte Spannung zu Veränderungen in seiner Form oder Größe führt.
Zeitverhalten: Da das Kriechen ein zeitabhängiges Phänomen ist, können Methoden aus der technischen Mechanik verwendet werden, um die Rate der Deformation über die Zeit zu modellieren.
Materialkennwerte: Jedes Material hat spezifische mechanische Eigenschaften, die sein Kriechverhalten beeinflussen. Durch Kenntnis dieser Eigenschaften können Vorhersagen über das Kriechverhalten gemacht werden.

Kriechen Werkstoffe - Das Wichtigste

Kriechen beschreibt die zeitabhängige und dauerhafte Verformung von Materialien unter konstanter mechanischer Belastung.
Zeitabhängige, temperaturabhängige und spannungsabhängige Deformationen sind Faktoren, die das Kriechverhalten von Werkstoffen beeinflussen.
Kriechphänomene treten bei verschiedenen Werkstoffen wie Metallen, Beton und Holz auf und können durch spezifische Modelle analysiert und berechnet werden.
Bei metallischen Werkstoffen wird Kriechen in Primärkriechen, Sekundärkriechen und Tertiärkriechen unterteilt.
Kriechen bei Beton beinhaltet zwei Arten von Deformationen: das eigentliche Kriechen (Verformung infolge der Belastung) und das Schwinden (Verformung ohne äußere Belastung).
Kriechen bei Holz ist stark von der Holzfeuchte und der Belastungsdauer abhängig und erfolgt hauptsächlich in Richtung der Holzfasern.