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Wissen Sie, wie man durch Veränderung der Materialstruktur die Festigkeit steigern kann?
In der heutigen Welt der Technik sind die mechanischen Eigenschaften von Materialien von größter Bedeutung. Vom Bauwesen bis zur Luft- und Raumfahrt sind Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit integrale Faktoren bei Design und Anwendung. Durch eine Veränderung der Materialstruktur lassen sich diese Eigenschaften wirkungsvoll verbessern und maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche Anwendungsgebiete bieten. Durch die Optimierung der Struktur kristalliner und amorpher Materialien können Ingenieure einer neuen Studie zufolge deren Streckgrenze, Duktilität und Zähigkeit erhöhen.
Eine Verbesserung der Festigkeit kann durch eine Reihe von Mechanismen erreicht werden, wie etwa durch Mischkristallverfestigung, Ausscheidungshärtung und Korngrenzenverfestigung.
Die Eigenschaften von Stahl werden hauptsächlich durch die Einlagerung von Kohlenstoff im Eisengitter bestimmt, was wiederum seine mechanischen Eigenschaften verbessert. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink und weist aufgrund der Mischkristallverfestigung bessere mechanische Eigenschaften als die Metalle auf, aus denen es besteht. Prozessänderungen wie das Schmieden von glühendem Metall sind eine alte und effektive Methode, die von Schwarzeisenarbeitern verwendet wird. Diese Kaltverfestigung kann Versetzungen verursachen, die die Streckgrenze des Materials weiter erhöhen.
Materialverstärkungsmechanismus
Derzeit sind fünf Mechanismen zur Materialverstärkung bekannt. Diese Mechanismen sollen die Bewegung von Versetzungen behindern und dadurch die Festigkeit des Materials erhöhen. Die Behinderung der Versetzungsbewegung trägt dazu bei, den Widerstand des Materials gegen Verformung zu erhöhen. Zu diesen Mechanismen gehören:
Kaltverfestigung
Versetzungen sind die Hauptursache für Kaltverfestigung. Wenn auf der Oberfläche eines Materials eine große Anzahl von Versetzungen auftritt, interagieren sie miteinander und erzeugen ein Spannungsfeld, das wiederum die Bewegung der Versetzungen behindert. In diesem Fall besteht eine sehr enge Beziehung zwischen der Versetzungsdichte und der Scherfestigkeit, sodass sich die Kaltverfestigung in einer Zunahme der Versetzungsdichte widerspiegelt.
Festigkeitsverfestigung und Legierungsbildung
Die Festlösungsverfestigung wird durch das Hinzufügen von gelösten Atomen eines Elements zu einem anderen Material erreicht. Diese Atome können eine Verformung des Kristallgitters verursachen und dadurch die Bewegung von Versetzungen behindern. Je höher die Konzentration des gelösten Stoffes, desto höher ist die Streckgrenze des Materials, gleichzeitig hat aber seine verstärkende Wirkung eine Grenze.
Ausscheidungshärtung
In den meisten binären Systemen führt übermäßiges Legieren zur Bildung einer zweiten Phase. Diese Niederschläge der zweiten Phase wirken wie gelöste Atome in einer festen Lösung und behindern die Bewegung von Versetzungen.
Verbesserung der Dispersion
Ähnlich wie bei der Ausscheidungshärtung geht es bei der Dispersionshärtung um die Anziehung und Fixierung von Versetzungen durch inkohärente Niederschläge. Besonders effektiv ist dieses Verfahren bei hohen Temperaturen und ermöglicht die Herstellung hochfester Werkstoffe.
Korngrenzenverstärkung
Bei polykristallinen Metallen hat die Korngröße einen dramatischen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Korngrenzen behindern die Bewegung von Versetzungen, daher steigt die Streckgrenze des Materials mit abnehmender Korngröße.
Verstärkungsmechanismus amorpher Materialien
Bei amorphen Materialien wie Polymeren und Keramiken unterscheiden sich die Härtungsmethoden stark von denen bei Metallen. Die Festigkeitssteigerung dieser Werkstoffe hängt im Wesentlichen von der Veränderung ihrer chemischen Struktur und ihrer Verarbeitung ab.
Die Erhöhung der Polymerfestigkeit ist vor allem auf die zunehmende Vernetzung zwischen den Ketten zurückzuführen. Durch diese Vernetzung wird das Material steifer und rissbeständiger.
Bei duroplastischen Polymeren ermöglichen beispielsweise Disulfidbrücken und andere kovalente Vernetzungen die Aufrechterhaltung einer guten strukturellen Stabilität bei hohen Temperaturen. Daher kann die Verstärkung verschiedener Polymere durch die Einbringung von Additiven wie Fasern und Partikeln erfolgen.
Herausforderungen und Chancen
Die Verbesserung der Materialfestigkeit hat allerdings ihren Preis. Jeder Verstärkungsmechanismus kann andere physikalische und chemische Eigenschaften beeinflussen. Darüber hinaus lässt sich die Festigkeit eines Werkstoffs nicht beliebig steigern und eine übermäßige Verstärkung kann zu einer Verschlechterung bestimmter Eigenschaften wie Zähigkeit oder Duktilität führen. Daher müssen Ingenieure bei der Entwicklung von Werkstoffen eine Verbesserung der Festigkeit in Betracht ziehen und gleichzeitig andere gewünschte Leistungsmerkmale berücksichtigen.
Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technik wird unser Verständnis der Materialeigenschaften immer tiefer und in Zukunft könnten Materialien auftauchen, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Duktilität aufweisen. Ob es möglich ist, das beste Gleichgewicht zwischen Festigkeit und anderen Eigenschaften zu finden, wird eine große Herausforderung und Chance für die künftige Entwicklung der Materialwissenschaften sein.
