Die Festigkeit von Werkstoffen

Inhaltsverzeichnis

1 Globale Definition der Festigkeit

2 Einfluss der Bindungsart und der Bindungsenergie auf die Festigkeit

3 Die Härtungsmechanismen

4 Möglichkeiten der Festigkeitsoptimierung

Zusammenfassung

Festigkeit wird ganz allgemein definiert als der Widerstand eines festen Stoffes gegen plastische Verformung und den Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen. Ein Maß für den Widerstand gegen plastische Verformung stellen die elastischen Konstanten dar. Diese können aus der Krümmung der Bindungsenergiekurve abgeleitet werden. Die vier Bindungsarten unterscheiden sich aufgrund der Bindungskräfte und damit auch der Bindungsenergien. Damit ist ebenfalls ein entsprechender Einfluss auf die Festigkeit von Werkstoffen gegeben. Um in modernen Werkstoffen hohe und höchste Festigkeiten zu erreichen, wird das Gefüge der Werkstoffe durch spezielle Behandlungen gezielt verändert. Das Ziel ist hierbei die Erzeugung von Hindernissen für die bei einer plastischen Verformung stattfindende Versetzungsbewegung (Härtungsmechanismen). Für einen hochfesten Werkstoff müssen diese Hindernisse in möglichst feiner Dispersion und großer Menge enthalten sein. Durch eine sinnvolle Kombination der Härtungsmechanismen kann eine weitere Optimierung der mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes erreicht werden.

1 Globale Definition der Festigkeit

Der Begriff „Festigkeit“ hat insbesondere für werkstoffkundliche Zusammenhänge auf den ersten Blick sehr vielfältige Bedeutungen. So gibt es beispielsweise die verschiedensten mechanischen Festigkeiten, wie Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und Zeitstandfestigkeit oder Festigkeitsbegriffe wie Korrossionsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit. Diese Vielfalt lässt zunächst vermuten, dass eine einheitliche Beschreibung oder Definition der Festigkeit von Werkstoffen nur sehr schwer bzw. höchst eingeschränkt möglich ist. Die werkstoffkundliche Praxis hat jedoch eine sehr gute und vor allem für alle möglichen Ansätze passende Definition entwickelt. So wird die Festigkeit (werkstoffkundlich) in allgemeinster Form durch die folgenden drei „Widerstände“, die der Werkstoff gegen eine aufgebrachte Beanspruchung aufzubringen vermag, definiert (Bild 1):

- Widerstand gegen plastische Verformung
- Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen
- Widerstand gegen Verschleiß

Bild 1

Definition der Festigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dies sind technische Forderungen, die nur durch verschiedene, sich zum Teil widersprechende physi­kalische Eigenschaften zu erfüllen sind. Erst wenn alle Forderungen gemeinsam erfüllt sind zeigt der Werkstoff „Festig­keit“.

Der Sinn einer solchen Festlegung wird klar, wenn man überlegt, dass in einem spröden, keramischen Werkstoff zwar der Widerstand gegen plastische Verformung sehr hoch ist, sich aber Risse, gerade weil keine plastische Verformung an der Rissspitze möglich ist, leicht ausbreiten können. Entsprechend ist in einem Werk­stoff wie z.B. reinem Kupfer oder reinem Eisen der Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen sehr hoch, doch zeigt dieser Werkstoff kaum einen Widerstand gegen plastische Verformung oder auch Verschleiß. Er hat eine viel zu niedrige Streckgrenze um i.d.R. als Konstruktions­werkstoff nützlich zu sein.

Man sieht also, dass es sich bei dem Begriff der Festigkeit nicht um eine einheitliche Kenngröße, sondern vielmehr um einen Sammelbegriff, der eine ganze Reihe von (mechanischen) Eigen­schaften einschließt, handelt. Es hängt dabei von der Art des Werkstoffes, als auch von der Art der Beanspruchung und der Umgebung ab, welche Eigenschaft für die Kennzeichnung der Festigkeit von vorherrschender Bedeutung ist.

2 Einfluss der Bindungsart und der Bindungsenergie auf die Festigkeit

Die Definition der drei Werkstoffgruppen (Metalle, Keramiken, Polymere) basiert auf der Natur der Bindung der beteiligten Atome und der Werkstoffgefüge. Die Bindungskräfte, durch welche Atome oder Moleküle zuein­ander gezogen werden, sind Anziehungskräfte zwischen entgegen­gesetzten Ladungen. Die Bindungskraft ist umso stärker, je kleiner der Atomabstand r und je größer die Zahl der an der Bindung beteiligten Elektronen n ist. Bild 2a zeigt die Abhängigkeit der Bindungskraft vom Kernabstand.

Bild 2

Abhängigkeit der Bindungskraft vom Kernabstand

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zwei Atome, die sich im Abstand r voneinander befinden, üben aufeinander an­ziehende und abstoßende Kräfte aus. Diese sind sehr schwach, wenn die Atome weit voneinander entfernt und sehr stark, wenn sie nahe beieinander sind. Aus der Summationskurve der beiden Teilkräfte lässt sich die Bindungsenergiekurve als Produkt von Kraft und Abstand berechnen. An der Stelle, wo die anziehende Kraft gleich der abstoßenden Kraft ist, durchläuft die Energie ein Minimum. Minimum heißt hier, dass sich die Atome im Gleich­gewichtsabstand befinden. Wenn Atome einander angenähert oder voneinander wegbewegt werden sollen, ist also Energie aufzubringen. Es muss dabei umso mehr Energie aufgewendet werden, je größer die jeweilige Bindungsenergie ist (z.B. zum Verformen oder zum Schmelzen eines Werkstoffes) (Bild 2b). Aus solch einer Bindungsenergiekurve (genauer: aus ihrer Krümmung) lassen sich auf einfachem Wege die elastischen Konstanten von Werkstoffen, wie z.B. der Elastizitätsmodul (E-Modul), ableiten. Diese stellen wiederum ein Maß für den Widerstand gegen die plastische Verformung des jeweiligen Werkstoffes dar. So ist ein Werkstoff um so „steifer“, je höher sein E-Modul ist.

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