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Von der Elastizität zur Plastizität: Die drei Phasen der Materialverformung sind so faszinierend!
Das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens von Materialien ist in der Technik und Materialwissenschaft von entscheidender Bedeutung, und hier kommen Spannungs-Dehnungs-Kurven ins Spiel. Diese Kurven zeigen nicht nur, wie Materialien auf unterschiedliche Belastungen reagieren, sondern helfen uns auch dabei, ihr Verhalten in realen Anwendungen besser vorherzusagen.
Die Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt wichtige Eigenschaften des Materials, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul.
Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung kann viele Formen annehmen, deshalb unterteilen wir diese Kurven üblicherweise in mehrere Hauptphasen. Lassen Sie uns nacheinander die drei wichtigen Phasen der Materialverformung untersuchen: den linearen elastischen Bereich, den Bereich der Verfestigung und den Bereich der Halsbildung.
Linearer elastischer Bereich
Der lineare Elastizitätsbereich ist die erste Phase, in der sich ein Material verformt. In diesem Stadium sind Spannung und Dehnung linear miteinander verknüpft, das heißt, sie unterliegen dem Hookeschen Gesetz. Hier steigt die Spannung direkt proportional zur Dehnungszunahme und die Steigung ist der Elastizitätsmodul. Dieser Teil stellt einen Zustand ausschließlich elastischer Verformung dar und sein Ende markiert den Beginn der plastischen Verformung.
Wenn die Spannungskomponente die Streckgrenze erreicht, bedeutet dies, dass der Zustand der plastischen Verformung beginnt.
Kaltverfestigungszone
Wenn die angewandte Spannung die Streckgrenze überschreitet, gelangt das Material in einen Bereich der Kaltverfestigung. In diesem Stadium erreicht die Spannung einen Höchstwert, die sogenannte Zugfestigkeit. Im Bereich der Kaltverfestigung bleiben die Spannungen aufgrund der Dehnung des Materials größtenteils erhöht.
Bei manchen Werkstoffen (z. B. Stahl) entsteht durch die Bildung und Ausdehnung von Lüders-Bändern zunächst ein nahezu ebener Bereich.
Während dieses Prozesses nimmt mit zunehmender plastischer Verformung die Anzahl der Versetzungen im Inneren des Materials zu, wodurch die Bewegung weiterer Versetzungen unterdrückt wird. In diesem Fall müssen höhere Scherspannungen aufgebracht werden, um das Hindernis zu überwinden.
Halsbildungszone
Wenn die Spannung die Zugfestigkeit überschreitet, gelangt sie in den Bereich der Halsbildung, wo der lokale Querschnittsbereich erheblich reduziert wird. Die Verformung des Halses ist ungleichmäßig und wird bei Spannungskonzentration noch verstärkt, was schließlich zum Bruch des Materials führt.
Auch wenn die aufgebrachte Zugkraft abnimmt, nimmt die tatsächliche Spannung im Material dennoch zu, da die Verringerung der lokalen Querschnittsfläche nicht berücksichtigt wird.
Nachdem es zum Bruch des Materials gekommen ist, können dessen prozentuale Dehnung und Querschnittsverringerung berechnet werden. Diese Daten sind für die Konstruktion und die Materialauswahl von entscheidender Bedeutung.
Klassifizierung von Materialien
Basierend auf den Eigenschaften der Spannungs-Dehnungs-Kurve können wir Materialien grob in zwei Kategorien unterteilen: duktile Materialien und spröde Materialien. Duktile Materialien wie Weichstahl weisen bei normalen Temperaturen gute Verformungseigenschaften auf, während spröde Materialien wie Glas normalerweise keine offensichtlichen Dehnungsprozesse aufweisen und direkt brechen.
Dehnbare Werkstoffe können sich nach Erreichen ihrer Streckgrenze weiter verformen, wohingegen spröde Werkstoffe dazu neigen, ohne nennenswerte Verformung zu brechen.
Robustheit und Anwendungen
Materialien mit ausgezeichneter Zähigkeit können sowohl Festigkeit als auch Duktilität aufweisen, weshalb die Zähigkeit ein wichtiges Kriterium bei der Materialkonstruktion ist. Unter Zähigkeit versteht man die Fläche unterhalb der Spannungs-Dehnungs-Kurve, die man sich als die Energie vorstellen kann, die ein Material aushalten kann, bevor es bricht.
AbschlussZusammenfassend ermöglichen die drei Hauptphasen der Spannungs-Dehnungs-Kurve – der lineare elastische Bereich, der Bereich der Verfestigung und der Bereich der Halsbildung – ein tiefes Verständnis des Materialverhaltens. In der Materialwissenschaft dienen diese Theorien nicht nur als Leitfaden für Labortests, sondern wirken sich auch auf die Zuverlässigkeit und Sicherheit technischer Anwendungen aus. Angesichts der Leistungsmerkmale verschiedener Materialien müssen wir uns fragen: Welchen Einfluss haben die Eigenschaften dieser Materialien auf unser tägliches Leben und die Entwicklung der Ingenieurtechnologie?
