Mechanischer Zustand von Werkstoffen

Der Begriff mechanischer Zustand bezeichnet die Gesamtheit aller mechanisch relevanten Zustandsgrößen eines Körpers oder Werkstoffs zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort. Er wird im Kontinuumsmechanik‑Kontext typischerweise durch Felder wie Spannungs‑, Dehnungs‑ und Deformationsgradienten sowie durch kinematische Größen (Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) beschrieben.

Formal lässt sich der mechanische Zustand eines materiellen Punktes durch Tensorgrößen charakterisieren, etwa den Cauchy‑Spannungstensor σ, den Dehnungstensor (z.B. Green‑Lagrange‑Dehnung E oder infinitesimale Dehnung ε) und gegebenenfalls interne Zustandsvariablen (z.B. plastische Dehnung, Versetzungsdichte, Schädigungsparameter). In nichtlinearen und inelastischen Materialmodellen sind diese internen Variablen essentiell, um Pfadabhängigkeit und Hysteresen korrekt zu erfassen.

Die mechanischen Zustände (Plural) bezeichnen meist unterschiedliche, durch Belastungs‑, Temperatur‑ oder Zeitverlauf unterscheidbare Konfigurationen eines Systems, etwa ungelasteter, elastisch belasteter und plastisch deformierter Zustand. Der Übergang zwischen diesen Zuständen wird durch Materialgesetze beschrieben, die einen Zusammenhang zwischen Spannungs‑ und Dehnungszustand sowie den internen Variablen herstellen (Konstitutivgleichungen).

In der Werkstoffsimulation bildet der mechanische Zustand die Grundlage für Stabilitätsanalysen, Versagensprognosen und Lebensdauerabschätzungen. Seine konsistente Definition ist entscheidend für die Formulierung von Anfangs‑ und Randwertproblemen in der numerischen Mechanik, insbesondere in der Finite‑Elemente‑Methode.

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