Als nächstes wollen wir uns mal die Bauteileigenschaften und deren Einflussfaktoren betrachten. Einflussfaktoren auf die Lebensdauer eines Bauteils. Auch hier bitte ich Sie, einfach mal etwas globaler zu denken.
Natürlich, wenn wir uns einen Bauteil anschauen und wir sind hier im Fach Werkstofftechnik, Werkstoffkunde, dann ist es natürlich von großer Bedeutung und offensichtlich, welcher Werkstoff ist denn da verwendet. Und bleiben wir vielleicht gleich wieder bei unserem Fahrrad. Und es gibt Fahrräder. mit einem Alurahmen, es gibt Stahlräder, es gibt Carbonräder und ich glaube es gibt auch noch was exotischeres aus Naturmaterialien.
Also ich glaube, Ihnen ist klar, dass der Werkstoff einen Einfluss auf die Lebensdauer, das heißt auf die Bauteileigenschaften hat. Und wenn wir hier, ja... Ich lasse es einfach so stehen.
Ich denke, Sie werden sich selbst Beispiele überlegen, welchen Einfluss der Werkstoff auf die Bauteileigenschaften hat. Was bestimmt noch die Lebensdauer eines Bauteils? Natürlich die Beanspruchung. Und auch hier versuchen Sie mal so in Grenzwerten zu denken.
Das finde ich immer ganz sinnvoll, um auch Einflüsse zu erkennen. Wenn Sie natürlich ein Bauteil überhaupt nicht belasten, dann hält es natürlich unendlich. Das ist natürlich aber irgendwie nicht sinnvoll, aber dennoch haben Sie eine hohe Belastung.
Und jetzt denken Sie an das Wissen, was Sie gerade bekommen haben, nämlich es gibt mechanische Belastungen. thermische Belastung, chemische Belastung und in jedem Fall können diese Belastung statisch, zyklisch oder dynamisch sein, dann beeinflussen die natürlich die Bauteileigenschaften. Gut, was gibt es noch?
Die Konstruktion hat einen Einfluss. auf die Bauteileigenschaften. Am Beispiel meines Fahrrads jetzt zum Beispiel. Sie können einen unterschiedlichen Querschnitt, eine unterschiedliche Wandstärke im Rahmen Ihres Fahrrads haben.
Und ich glaube, dann ist natürlich auch ersichtlich, dass Sie eine unterschiedliche Lebensdauer haben werden, wenn Sie zum Beispiel einen dünneren Querschnitt oder, das werden Sie aus der technischen Mechanik vielleicht wissen oder noch erfahren, ein anderes Widerstandsmoment haben. Also die Konstruktion ist ein ganz typischer Einflussfaktor auf die Lebensdauer. Die Herstellung ist ein anderer. Machen wir mal hier auch ein paar Beispiele bei der Konstruktion.
Sollten wir auch noch ein paar Beispiele haben. Also wir haben dünne oder dicke Querschnitte. Zum Beispiel bei der Herstellung. Sie können Bauteile als Gussbauteile herstellen. Sie können die als umgeformte.
Teile herstellen. Sie können schweißen. Muss ordentlich.
Geschweißt, geschraubt, verschraubt. Wie auch immer, Sie können sich hier unterschiedliche Herstellverfahren vorstellen, wie Sie ein und dieselbe Konstruktion herstellen können. Und ich hatte das am Anfang, als wir über die Teilgebiete der Werkstofftechnik gesprochen haben, schon gesagt, es gibt unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in einem gegossenen Bauteil oder in einem umgeformten Bauteil.
Das heißt, wir haben ein und denselben Werkstoff. aber dieser Werkstoff hat unterschiedliche Eigenschaften im gegossenen oder im umgeformten Zustand. Wenn Sie schweißen, beeinflussen Sie die lokalen Werkstoffeigenschaften.
Und die Schweißverbindung hat einen wesentlichen Einfluss, die Qualität der Schweißverbindung, auf die Bauteileigenschaften. Haben Sie dieselbe Konstruktion als Schraubkonstruktion, dann... müssen Sie sich überlegen, wie Sie diese Schraubenverbindung auslegen. Und diese werden Ihre Bauteileigenschaften beeinflussen. Was wir vielleicht hier noch nennen können als Einflussfaktor, als wesentlicher Einflussfaktor, aber auch den nehme ich jetzt mal in Klammer, das ist natürlich die Wartung.
Wenn Sie also ab und zu mal bei Ihrem Bauteil nachschauen, Nehmen wir jetzt wieder das Beispiel eines Fahrrads. Wenn Sie da ab und zu mal nachschauen, ob sich irgendwo Risse oder Korrosionsprodukte gebildet haben. Wenn Sie Ihr Fahrrad ab und zu mal putzen, um eben genau diese korrosiven Belastungen zu verringern, dann werden Sie natürlich auch eine höhere Lebensdauer haben. Aber wenn wir jetzt mal die reine Konstruktion, das reine Bauteil, anschauen, dann haben wir Einflussfaktoren, Werkstoff, Beanspruchung, Konstruktion und Herstellung, die die Bauteileigenschaften beeinflussen.
Und wenn Sie jetzt zum Beispiel eine höhere Lebensdauer Ihres Bauteils haben wollen, dann können Sie Dinge verändern, wie zum Beispiel, Sie können einen anderen Werkstoff wählen, Sie können eine andere, Sie können... Beanspruchungen nur in bestimmten Höhen zulassen. Sie können aber auch eine andere Konstruktion oder eine andere Herstellart wählen. Und damit sehen Sie, der Werkstoff hat natürlich eine Bedeutung für die Lebensdauer eines Bauteils, aber der Werkstoff ist es nicht allein.
Er ist nur ein Einflussfaktor. von vielen. Was bedeutet das, wenn Sie zum Beispiel einen Schadensfall haben und das ist ja nun die Situation, wo wir einen Festigkeitsnachweis haben, der nicht erfüllt wurde.
Wenn Sie dann etwas ändern wollen an Ihrem Bauteil, dann können Sie natürlich einen anderen Werkstoff wählen. Sie können aber auch bestimmte Beanspruchungen reduzieren, Sie können die Konstruktion ändern und Sie können die Herstellung ändern. Und natürlich sind die Eigenschaften, die sich auf den Werkstoff beziehen, haben etwas hier mit diesem Fach zu tun, mit dieser Lehrveranstaltung.
Wenn Sie über die Konstruktion nachdenken, dann sind Sie natürlich... in einer anderen Lehrveranstaltung, Maschinenelemente zum Beispiel, Konstruktion, Herstellung, dann sind Sie im Bereich der Fertigungsverfahren und Sie sind natürlich auch in der Technischen Mechanik in der Berechnung. Das heißt, in jedem Fall nützt es Ihnen, wenn Sie auch in anderen Lehrveranstaltungen hier Ihr Wissen mit einbringen. Und wenn wir... über Einflussfaktoren reden, dann geht es ja auch immer darum, welcher Einflussfaktor auf die Bauteileigenschaften ist der sensitivste.
Das heißt, wenn Sie den ändern, bekommen Sie am Ende eine viel höhere Lebensdauer raus. Und das ist nicht immer der Werkstoff. Das kann die Konstruktion sein, das kann auch die Herstellung sein. Das müssen Sie... in der Praxis selber rausbekommen.
In der Übung Sie sich in diesem Zusammenhang Beispiele überlegen müssen, wie hier Änderungen dieser Einflussfaktoren auf die Bauteileigenschaften wirken. Kommen wir nun zum Festigkeitsnachweis, den ich Ihnen hier einmal kurz einführend darstellen möchte. Und zwar ein Festigkeitsnachweis hier als rechnerischer Festigkeitsnachweis. Man kann natürlich auch einen experimentellen Festigkeitsnachweis führen.
Als Bauteil Festigkeitsnachweis, Sie nehmen sich Ihr Fahrrad und belasten das. bis etwas passiert, bis die Festigkeit überschritten ist. Aber wir wollen das hier als rechnerischen Festigkeitsnachweis machen.
Und wir wissen, Festigkeitsnachweise gibt es für verschiedene Belastungsarten, für verschiedene Belastungszeitverläufe. Das, was ich hier einfach mal machen möchte, ist ein rechnerischer Festigkeitsnachweis bei mechanischer. statischer Zugbelastung.
Gut, das heißt wir haben auf der einen Seite unser Bauteil. Das haben sie sich ausgedacht mit einer bestimmten Konstruktion, mit einer bestimmten Gestalt. und wir vereinfachen das mal hier das heißt es gibt einen Querschnitt diesen Querschnitt, diese Querschnittsfläche die bezeichne ich jetzt mal mit A vielleicht machen wir das noch einfacher wir machen jetzt einen rechnerischen Festigkeitsnachweis beim mechanischer statischer Zugbelastung eines Seiles. Also ein Seil, ganz einfach, das ist mein Seil und dieses Seil ist hier oben eingespannt und jetzt wirkt hier unten eine Kraft F. Dieses Seil hat eine Querschnittsfläche A. Gut, allgemein also, Sie haben Ihre Konstruktion, die Gestalt Ihres Bauteils. unseres Seils im Moment und es gibt eine Belastung.
In unserem Fall ist das also die Kraft F, die Zugbelastung Kraft F. Jetzt werden Sie für dieses Seil eine Beanspruchung berechnen. Der Begriff Beanspruchung, den hatten wir schon auf einer vorherigen Folie oder Seite. Beanspruchung heißt, wir werden die Belastung mit einer Größe der Konstruktion dividieren.
Das heißt, wir werden die Belastung auf die Konstruktion Beziehen, das ist jetzt einfach in Worten ausgedrückt, die Beanspruchung in diesem Bauteil und die dafür verwendete Größe, das ist eine Spannung. Die Beanspruchung ist eine Spannung, das ist natürlich eine mechanische Spannung in diesem Fall, keine elektrische Spannung. Und diese Spannung wird mit Sigma bezeichnet. Griechisches S, kleines griechisches S. Schauen Sie sich mal bitte das griechische Alphabet an.
Und jetzt zeichne ich das nochmal. Das ist irgendwie ziemlich schwierig. Also das ist das Sigma.
Spannungen, mechanische Spannungen werden mit Sigma bezeichnet. Und jetzt haben wir hier quasi Kraft durch Fläche unseres Seiles zu teilen. Das heißt, wir haben auch eine Einheit der Spannung, das ist Newton geteilt durch Millimeter zum Quadrat.
Und hier haben wir noch eine andere Größe oder eine andere Einheit, die auftaucht, das ist Megapaskal. Ein Newton pro Quadratmillimeter. ist ein Megapascal, das heißt in Zukunft wird für eine Spannung entweder die Einheit Newton pro Quadratmillimeter oder Megapascal angegeben. Also an diese Einheit, an diese Größe werden Sie sich gewöhnen müssen.
Und das, was wir jetzt hier für ein Seil natürlich ganz einfach berechnen können als Spannung, Kraft durch Fläche, das sind Spannungen. Spannungen, die Sie natürlich genauso mit einem Biegemoment, mit einer Torsionsbelastung, mit einer Druckbelastung, was auch immer, berechnen können. Wenn das Bauteil komplizierter ist als das Seil jetzt hier an dieser Stelle, da sind noch andere Dinge zu berücksichtigen. Aber wir sagen es mal hier ganz einfach, das ist Aufgabe der technischen Mechanik.
Dort lernen Sie, wie Sie Beanspruchungen in Bauteilen. rechnerisch ermitteln. Gut, dann haben wir auf der anderen Seite natürlich unseren Werkstoff und wenn wir jetzt wissen wollen, hier ist ja schon mal der Begriff Festigkeit aufgetaucht, wie groß ist denn die Festigkeit eines Werkstoffs, dann werden wir nicht Bauteile prüfen, sondern Das können wir auch machen. Dann machen wir einen Nachweis des Bauteils.
Wir könnten ja auch das Seil nehmen und belasten, bis irgendwas passiert. Aber jetzt wollen wir das Ganze rechnerisch machen. Das heißt, wir brauchen jetzt irgendwie Werkstoffeigenschaften.
Und diese Werkstoffeigenschaften müssen wir an Proben ermitteln. An Werkstoffproben. Das heißt, wir nehmen uns eine Werkstoffprobe.
Und diese Probe hat jetzt nicht eine bestimmte Konstruktion, sie hat eine bestimmte Probengestalt. Also wir haben eine Probengeometrie, Probenkonstruktion. Ich schreibe mal hin, Probengeometrie.
Und in der Regel werden wir hier eine einfache Probe haben. Das werden Sie im Bereich der Werkstoffprüfung lernen. Auch diese Probe hat einen Querschnitt.
Wenn wir jetzt das Ganze auf statische Belastungen beziehen, da gibt es eine Norm dafür, wie das zu ermitteln ist. Wir könnten jetzt den Querschnitt auch mit A bezeichnen, das mache ich aber nicht, sondern ich mache das jetzt schon normkonform. Die Probe hat einen Querschnitt S0, der wird mit S0 bezeichnet.
Aber es ist natürlich auch was in Millimeter im Quadrat. Die Kraft ist hier Newton. Also auch der Probenquerschnitt ist irgendwie mit Millimeter hoch 2 anzugeben.
Und jetzt werde ich diese Probe prüfen. Das heißt, Sie sehen schon mal, wir sind hier im Bereich der Werkstoffprüfung. Wir werden die Probe prüfen bis... bei dieser Probe etwas passiert. Wir werden uns anschauen, was in der Probe passiert.
Und auf jeden Fall machen wir den Versuch bis zum bitteren Ende, bis die Probe gebrochen ist. Und was ermitteln wir? Wir ermitteln die Belastung. Und das ist natürlich eine Kraft in diesem Fall. Und uns interessiert jetzt hier die Belastbarkeit bis zum Bruch beispielsweise.
Und dann ermitteln wir an dieser Stelle eine Kraft Fmax. Gut, was ergibt das? Das ergibt eine Beanspruchbarkeit, die sich natürlich aus der Belastbarkeit bezogen auf den Querschnitt der Probe, also auf die Probengeometrie, ergibt.
Und das, was wir jetzt bekommen, ist die Festigkeit. Die Festigkeit. In dem Falle, wenn wir sagen, hier tritt der Bruch ein, Dann ist das in unserem Fall die sogenannte Zugfestigkeit.
Die ist genormt und nach Norm wird diese Zugfestigkeit mit Rm bezeichnet. R, vielleicht kann man sich das besser merken, steht für Resistance, für Widerstand, Werkstoffwiderstand. Gegenüber einer Zugbelastung wird mit Rm bezeichnet und diese wird natürlich ermittelt aus Fmax geteilt durch S0. Das ist natürlich wieder etwas, was in Newton pro Quadratmillimeter oder Megapaskal angegeben wird. Und damit haben wir...
Auf der linken Seite für unser Bauteil eine Spannung, die wir gegenüberstellen einer Spannung, die uns einen Grenzwert gegenüber Zug, gegenüber Bruch gibt. Und jetzt haben wir fast den Festigkeitsnachweis. Wir müssen nämlich jetzt die Spannung der Zugfestigkeit gegenüberstellen. Und logischerweise, wenn die berechnete Spannung im Bauteil kleiner ist als die Zugfestigkeit, dann ist der Festigkeitsnachweis.
Nachweis erbracht. Was passiert, wenn die Spannung im Bauteil gleich der Zugfestigkeit ist? Dann bedeutet das Versagen. In diesem Fall bedeutet Versagen Bruch.
meines Bauteils. In dem Falle Bruch des Seils oder Zerreißen des Seils. Das heißt, an dieser Stelle auf der linken Seite müssen Sie mit Methoden der technischen Mechanik arbeiten.
Auf der rechten Seite brauchen Sie Informationen aus der Werkstoffprüfung. Und jetzt können Sie natürlich in vielfältiger Weise Ihre Eingangsgrößen ändern. Sie können die Belastung ändern, Sie können den Querschnitt, Sie können die Konstruktion ändern, um die linke Seite, die Spannung zu beeinflussen.
Und natürlich können Sie auch auf der rechten Seite verschiedene Werkstoffe nehmen und damit können Sie diese Zugfestigkeit beeinflussen. Was können Sie noch machen? Sie können auch noch einen anderen Festigkeitsnachweis machen.
Sie können einen Festigkeitsnachweis gegenüber zyklischer Beanspruchung machen. Also wir haben jetzt hier über statische Belastung, statische Beanspruchung gesprochen. Wenn Sie jetzt zyklische Belastung betrachten, dann brauchen Sie natürlich auf der rechten Seite einen anderen Versuch, nämlich einen Versuch.
bei zyklischer Belastung und sie brauchen Werkstoffeigenschaften. In dem Falle wäre das zum Beispiel eine Schwingfestigkeit. Eine Schwingfestigkeitseigenschaft, die Sie jetzt gegenüberstellen der im Bauteil berechneten zyklischen Spannungen. An der Stelle also einfach hier mal das Beispiel eines Festigkeitsnachweises. Und Sie sehen, die Aufgabe der Werkstoffprüfung besteht schon mal darin, auf der rechten Seite Werkstoffeigenschaften für diesen Festigkeitsnachweis zur Verfügung zu stellen.
Wenn wir jetzt diesen Festigkeitsnachweis betrachten, dann ist Ihnen bestimmt klar, dass wir natürlich solche Festigkeitsnachweise immer mit einer gewissen Sicherheit führen müssen, weil wir Eingangsgrößen haben und wir haben gesagt, es gibt die Eingangsgröße Querschnitt, es gibt die Eingangsgröße Belastung. Und wenn Sie vielleicht mal an Ihr Fahrrad denken, dann ist es vielleicht klar, dass diese Eingangsgrößen gar nicht so bekannt sind. So hundertprozentig.
Vielleicht ist die Konstruktion bekannt, aber auch da gibt es Toleranzen in der Fertigung, die dazu führen, dass Sie unterschiedliche Spannungen in Ihren Bauteilen haben. Denken Sie auf der Belastungsseite allein an das Fahrergewicht. Da haben Sie unterschiedliche Eingangsgrößen. Das heißt, wenn Sie Fahrräder herstellen und einen Festigkeitsnachweis machen, dann haben Sie Eingangsgrößen, die sind unsicher. Das heißt...
Die Belastung kann unsicher sein, die Konstruktion kann unsicher sein und auch die Werkstoffeigenschaften werden gewisse Streuungen haben. Beziehungsweise unter Umständen sind das Größen, die Sie so im Einzelfall gar nicht wissen. Nehmen Sie jetzt doch nochmal den Werkstoff.
Haben Sie unterschiedliche Werkstoffchargen, werden Sie in gewissen Bereichen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften haben. Das heißt, wenn Sie einen Festigkeitsnachweis machen, dann müssen Sie sich überlegen, wie sicher sind Ihre Eingangsgrößen und Ihr Festigkeitsnachweis, wo Sie natürlich jetzt ganz einfach sagen, die Belastung muss kleiner sein als die Belastbarkeit. beziehungsweise auf Spannungen übertragen.
Wenn wir über Beanspruchungen reden, dann denken Sie immer in Spannungen, das heißt hier in Megapaskal oder Newton pro Quadratmillimeter. Wenn wir über Belastung reden, dann denken wir eher in Kräften. Sie werden sich angewöhnen, in Beanspruchungen zu denken in der Zukunft.
Dann wird... es immer gewisse Unsicherheiten geben und daher ist es nicht ganz so einfach zu sagen, die Beanspruchung muss kleiner sein als die Beanspruchbarkeit, sondern sie werden in der Praxis Sicherheitsbeiwerte oder Faktoren, das ist einfach ein anderer Begriff, oder Sicherheit. benötigen.
Sicherheits, nehmen wir jetzt mal hier den Begriff, Sicherheitsfaktor. Und diese Sicherheit kann man mit S bezeichnen, die wird häufig mit S bezeichnet. Und in unserem Fall wird die Sicherheit berechnet aus der Zugfestigkeit geteilt durch die Beanspruchung, durch die Spannung, die Sie in einem Bauteil ermittelt haben. Und natürlich muss diese Sicherheit, dieser Sicherheitsfaktor immer größer als 1 sein.
Wenn Sie in verschiedenen Branchen sind, wenn Sie verschiedene Bauteile haben, dann gibt es durchaus Regelwerke, wo Sie solche Sicherheitsfaktoren finden. Diese Sicherheitsfaktoren sind bauteilabhängig. branchenabhängig. Dieser Sicherheitsfaktor hat natürlich auch was mit der Sicherheit ihrer Eingangsgrößen zu tun.
Und ich möchte jetzt hier einfach mal ein Beispiel nehmen. Also zum Beispiel könnte der bei 1,5 liegen. Das ist etwas, das muss man natürlich immer hinterfragen.
Da muss man sich erkundigen. Wie gesagt, das hat etwas mit den Eingangsgrößen, mit den Sicherheiten ihrer Eingangsgrößen zu tun. Und das ist einfach branchenspezifisch. Was bedeutet jetzt ein Sicherheitsfaktor von 1,5 ganz konkret? Machen wir mal ein Beispiel.
Zum Beispiel, wir haben einen Werkstoff, der eine Zugfestigkeit hat von 500 Megapaskal. Wir möchten eine Bauteilauslegung mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 machen. Dann habe ich jetzt hier diese Gleichung und ich kann daraus eine Spannung berechnen, die natürlich in dem Fall Rm durch S, 500, machen wir mal, Teil durch 1,5, vielleicht hätte ich Faktor 2 wählen sollen, wäre einfacher gewesen.
Dann ergibt das in unserem Fall 333 Megapaskal. Und diese Spannung wäre dann eine zulässige Spannung, die für mein Bauteil zugelassen ist. Und daraus kann ich jetzt eine Belastung ableiten oder ich kann meinen Querschnitt. ableiten, wenn die Belastung meines Bauteils fix ist.
Gut, zusammengefasst an dieser Stelle, das möchte ich Ihnen nicht vorenthalten. Sie sehen, Eingangsgrößen sind immer unsicher und daher dürfte eigentlich ein Sicherheitsfaktor nicht Sicherheitsfaktor heißen, sondern eigentlich müsste der Unsicherheitsfaktor. Denn wenn ich genau weiß, wie meine Eingangsgrößen sind, wenn meine Eingangsgrößen sicher sind, dann brauche ich diesen Sicherheitsfaktor nicht, beziehungsweise dann kann dieser Sicherheitsfaktor sehr niedrig sein. Natürlich hängt die Höhe des Sicherheitsfaktors auch davon ab, wie sind die Schadensfolgen.
Hängen da Menschenleben dran oder ist das vielleicht ein Bauteil, was auch irgendwie nur redundant ist, also wenn irgendwie ein Teil kaputt geht, dann übernimmt ein anderes Teil die Belastung mit, zumindest für eine bestimmte Zeit. Das heißt, die Wahl des Sicherheitsfaktors ist wirklich auf das Bauteil bezogen und die kann ganz unterschiedlich sein, aber prinzipiell müssen Sie sich darüber Gedanken machen und Sie müssen natürlich auf der Berechnungsseite richtig rechnen und auf der Werkstoffprüfungsseite auch die richtigen Werkstoffkennwerte verwenden in Ihrem Festigkeitsnachweis.