Spannungsverhalten

Spannungsverhalten bezeichnet die Reaktion eines Materials auf mechanische Belastungen. Es beschreibt die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und den resultierenden Verformungen und hängt von der Materialstruktur, der Temperatur, der Lastdauer und der Lastgeschwindigkeit ab. Typische Darstellungen erfolgen über Spannungs-Dehnungs-Kurven, verständliche Kennwerte wie Elastizitätsmodul, Streckgrenze und Bruchdehnung.

Im elastischen Bereich gilt meist Hookes Gesetz: eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung, wobei Deformationen reversibel sind. Die Proportionalgrenze markiert den Übergang zu plastischem Verhalten, bei dem bleibende Verformungen auftreten. Die Fließgrenze und die Fließspannung bestimmen, ab wann Materialplastik trägt, und durch Arbeitsverfestigung kann sich das Material weiter verhärten.

Jenseits der elastischen Grenze verformt sich der Werkstoff plastisch. Die Verformung läuft weiter, aber die Spannung bleibt meist zunächst annähernd konstant oder steigt nur langsam an. Durch Versetzungsmechanismen kommt es zu Kaltverfestigung (Work hardening). Die maximale Festigkeit wird durch die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit beschrieben; schließlich führt weitere Belastung zum Bruch.

Rate- und Temperaturabhängigkeiten prägen das Spannungsverhalten deutlich. Viele Materialien zeigen viskoelastische oder viskoplastische Eigenschaften, sodass die Reaktion von Ladezeit, Lastdauer und Temperatur abhängt. Zeitabhängige Verformung (Kriechen) tritt bei erhöhten Temperaturen auf; für Polymere ist dies oft ausgeprägter, bei Metallen geringer bis messbar.

Unter zyklischer Belastung verändert sich das Spannungsverhalten weiter: Ermüdung führt zu Rissbildung und schließlich zum Versagen. Lebensdauer hängt von Gesamtbelastung, Frequenz, Oberflächenbeschaffenheit und Umweltbedingungen ab. Zur Modellierung werden elastische, elastisch-plastische sowie viskoelastische Modelle genutzt, oft mit Yield-Kriterien wie Von-Mises oder Tresca.