Was ist Biegefestigkeit?
Die Biegefestigkeit, auch Biegefestigkeit , Bruchmodul oder Querbruchfestigkeit genannt, ist die maximale Spannung, der ein Material standhalten kann, bevor es in einem Biegeversuch versagt.
Hochleistungskeramiken weisen je nach getestetem Keramikmaterial eine Reihe unterschiedlicher Biegefestigkeiten auf. Die Bandbreite ist groß, und Materialien auf Basis von Zirkonoxid, ATZ oder Siliziumnitrid weisen relativ hohe Biegefestigkeiten auf. Im Gegensatz zu Metallen, die sich vor dem Brechen verformen, sind Keramiken rein elastisch und brechen, sobald sie ihre maximale Streckgrenze erreichen.
Warum ist die Biegefestigkeit wichtig?
Materialien mit hoher Biegefestigkeit sind für Hochleistungsanwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der medizinischen Implantate und dem Automobilbau unerlässlich.
Präzisionskeramik mit Aluminiumoxid-gehärtetem Zirkonoxid (ATZ) ist eine führende Option und bietet eine außergewöhnliche Biegefestigkeit von bis zu 1.800 MPa . Eine hohe Biegefestigkeit kann erforderlich sein, um Anwendungsspannungen standzuhalten, die beispielsweise durch mechanische oder thermische Faktoren entstehen.
In diesem Video erläutert Andy Duncan , warum eine Überdimensionierung für kurz- und langfristige Belastungen bei der Arbeit mit Keramik entscheidend ist. Das Verständnis der in diesem Video behandelten Prinzipien kann Ihnen helfen, intelligentere Materialentscheidungen zu treffen, wenn Sie im Ingenieurwesen oder Design mit Keramik arbeiten.
Materialien sortiert nach Biegefestigkeit
Aluminiumoxid-Zirkonia (ATZ) - CeramAlloy ATZ™
- Biegefestigkeit: 1800 MPa
- Hauptmerkmale: Hohe Härte, überragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete Bruchzähigkeit.
- Am besten geeignet für: Anwendungen mit hoher Beanspruchung, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit erfordern.
Zirkonia (ZrO2) - CeramaZirc™
- Biegefestigkeit: 1400 MPa
- Hauptmerkmale: Pulverzusammensetzung in Nanoqualität, hohe Festigkeit und hervorragende Verschleißfestigkeit.
- Am besten geeignet für: Anwendungen, die überragende mechanische Leistung erfordern.
Zirconia (ZrO2) - CeramaZirc™ 3YZ
- Biegefestigkeit: 1200 MPa
- Hauptmerkmale: Hochreines Zirkonoxid mit verbesserter Festigkeit und Langlebigkeit.
- Am besten geeignet für: Präzisionsgefertigte Komponenten, die außergewöhnliche Haltbarkeit erfordern.
Zirkonia (ZrO2) - CeramaZirc™ Ultra Tough
- Biegefestigkeit: 1000 MPa
- Hauptmerkmale: Fortschrittlicher Keramikverbundstoff, verstärkt mit Aluminiumoxidplättchen für verbesserte Robustheit.
- Am besten geeignet für: Anwendungen, die eine überragende Bruchzähigkeit und Elastizität erfordern.
Siliciumnitrid (Si3N4) - CeramaSil-N™
- Biegefestigkeit: 970 MPa
- Hauptmerkmale: Vielseitige mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften.
- Am besten geeignet für: Anwendungen mit hohen Temperaturen und hoher Belastung.
Zirkonia-Aluminiumoxid (ZTA) – CeramAlloy™ Ultra Hard
- Biegefestigkeit: 850 MPa
- Hauptmerkmale: Kombination aus hoher Härte, Festigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit.
- Am besten geeignet für: Industrielle Anwendungen, bei denen Robustheit und Haltbarkeit entscheidend sind.
Wie wird die Biegefestigkeit gemessen?
Die Biegefestigkeit wird üblicherweise mit dem sogenannten Biegemodul gemessen, wobei Drei- oder Vierpunktbiegeversuche zur Verfügung stehen. Für die Prüfung der Biegefestigkeit von Keramik gelten die Normen ASTM C1161 (Umgebungstemperatur) und ASTM C1211 (erhöhte Temperatur). Für bestimmte Anwendungen sind auch ISO 14704 und ISO 23242 relevant.
Die Zugfestigkeit liegt typischerweise um etwa 50–70 % unter der Biegefestigkeit. Wichtige Normen zur Bestimmung der Zugfestigkeit von Keramik sind ASTM C1273 für monolithische Hochleistungskeramik bei Raumtemperatur und ASTM C1359 für Hochleistungskeramik bei erhöhten Temperaturen.
Warum sollte man sich bei Anwendungen mit hoher Biegefestigkeit für Hochleistungskeramik entscheiden?
- Außergewöhnliche Haltbarkeit : Hält extremer mechanischer Belastung ohne Verformung stand.
- Hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit : Ideal für raue Umgebungen und langfristige Leistung.
- Bruchzähigkeit : Keramiken wie Zirkonoxid und Siliziumnitrid bieten im Vergleich zu herkömmlichen Materialien eine höhere Zähigkeit.
- Elektrische und Temperaturbeständigkeit : Keramik kann im Gegensatz zu Metallen, Gläsern oder Polymeren elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen bieten.
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Vergleich der Biegefestigkeitsmaterialien
Häufig gestellte Fragen
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Welche Faktoren beeinflussen die Biegefestigkeit von Keramik?
Zu den Faktoren zählen Zusammensetzung, Korngröße, Verarbeitungsmethode , Defektverteilung , Oberflächenbeschaffenheit , Größe und Form der Komponenten sowie Sinterbedingungen .
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Wie ist die Biegefestigkeit von Zirkonoxid im Vergleich zu Aluminiumoxid?
Zirkonoxid bietet aufgrund seiner kleineren Korngröße und höheren Bruchzähigkeit typischerweise eine höhere Biegefestigkeit als Aluminiumoxid. Daher erhielt Zirkonoxid auch den Spitznamen „Keramikstahl“. Darüber hinaus weist es einen um 50 % geringeren Elastizitätsmodul (Steifigkeit) auf, was zu einer viermal höheren Durchbiegung vor dem Versagen führt.
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Ist Biegefestigkeit dasselbe wie Zugfestigkeit?
Nein. Die Biegefestigkeit gibt den Widerstand gegen Biegung an , während die Zugfestigkeit den Widerstand gegen Zugkräfte angibt . Die Zugfestigkeit beträgt als grobe Richtlinie etwa 50–70 % der Biegefestigkeit.
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Kann Keramik so konstruiert werden, dass die Biegefestigkeit verbessert wird?
Ja, durch Techniken wie Nanokornverfeinerung, Verbundverstärkung und HIPPING (Heißisostatisches Pressen) .
Ähnliche Eigenschaften
Härte
Eine der wertvollsten Eigenschaften von Hochleistungskeramik für anspruchsvolle Anwendungen ist ihre extreme Härte. Hartkeramik wird für eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen und Anwendungen wie Schneidwerkzeuge zum Fräsen und Schleifen verwendet.
Festigkeit Keramik
Die Druckfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Belastungen standzuhalten, die zu einer Größenreduzierung führen. Anders ausgedrückt: Druckfestigkeit hält der Komprimierung (Zusammenschieben) stand, während Zugfestigkeit der Zugkraft (Auseinanderziehen) standhält.
Bruchfestigkeit
Die Fähigkeit, Brüche zu überstehen, ist eine mechanische Eigenschaft von Materialien, die als Bruchfestigkeit bezeichnet wird. Für Hochleistungskeramiken wird ein kritischer Spannungsintensitätsfaktor (KIC) verwendet, bei dem der Riss normalerweise an den Bruchstellen auftritt.