Zähigkeit



Zähigkeit oder Tenazität beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Bruch oder Rissausbreitung.[1] Die Zähigkeit wird durch die Fähigkeit zur Absorption von mechanischer Energie bei plastischer Verformung bestimmt.

Zähe Werkstoffe weisen in der Regel ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität auf.[2] Viele Metalle sind zäh, da sie eine hohe Festigkeit aufweisen und zugleich in der Lage sind, viel Verformungsenergie aufzunehmen, ohne zu brechen. Dies gilt beispielsweise für Schmiedeeisen aber nicht für Gusseisen.

Das Gegenteil der Zähigkeit ist die Sprödigkeit.[3] Beispiele für spröde Werkstoffe sind Glas, Keramik, einige harte Kunststoffe und gehärteter Stahl. Diese Materialien sind nur sehr begrenzt in der Lage, sich plastisch zu verformen und können somit wesentlich weniger Energie aufnehmen als zähe Werkstoffe, bevor sie brechen.

Inhaltsverzeichnis

Temperaturabhängigkeit


Einige Werkstoffe (insbesondere Kunststoffe sowie Baustahl und alle anderen kubisch raumzentrierten Werkstoffe) zeigen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit ihrer Zähigkeit. Der Übergang zwischen zäher „Hochlage“ und spröder „Tieflage“ wird durch die Übergangstemperatur \({\displaystyle T_{\mathrm {\ddot {U}} }}\) beschrieben.[4] Die Einsatztemperatur sollte stets oberhalb \({\displaystyle T_{\mathrm {\ddot {U}} }}\) liegen.

Bevor dieser Effekt bekannt war, sind immer wieder Schiffe (z. B. die Liberty-Frachter während des Zweiten Weltkriegs) bei ruhiger See, aber niedrigen Temperaturen ohne ersichtlichen Grund spröde auseinandergebrochen.[5]

Messmethoden


Die Zähigkeit (oder Verformungsenergie \({\displaystyle U_{T}}\)) wird in der Einheit Joule pro Kubikmeter (\({\textstyle {\frac {J}{m^{3}}}}\)) bestimmt. Dabei haben sich unterschiedlichen Testverfahren oder Methoden der Bruchmechanik für die Messung einzelner Kennwerte etabliert:

Die Zähigkeit kann anhand des Integrals des Spannungs-Dehnungs-Diagramms abgeschätzt werden.

\({\displaystyle {\tfrac {\mbox{Energie}}{\mbox{Volumen}}}=\int _{0}^{\varepsilon _{B}}\sigma \,d\varepsilon }\)

mit

Für eine genauere Quantifizierung wird zudem die elastische Verformung abgezogen. Das Rissstoppvermögen eines Werkstoffes ermöglicht hingegen tieferes Verständnis zur Rissablenkung oder Rissverzweigung.[1][8] Diese Mechanismen in der Mikrostruktur können bei der Werkstoffentwicklung zu verbesserten Brucheigenschaften und Zähigkeitssteigerung führen.

Zähigkeitsklassen


Tenazität von Mineralen

In der Mineralogie ist die Tenazität (Zähigkeit) einer Mineraloberfläche ein mit der Stahlnadel geprüfter Härtegrad:

Die Tenazität des gesamten Minerals wird durch Verbiegen getestet:

Zähigkeit von Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern werden nach sieben Graden ihrer Reißfestigkeit und Steifigkeit klassifiziert:

HT - Hochfest (engl.: High Tenacity)

IM - Mittlerer Modul (engl.: Intermediate Modulus)

HM - Hoher Modul (engl.: High Modulus)

UM / UHM - Ultra hoher Modul (engl.: Ultra High Modulus)

UMS - Ultrahochsteif (engl.: Ultra Modulus Strength)

HMS - Hochsteif (engl.: High Modulus Strength)

Siehe auch


Einzelnachweise


  1. a b c Lothar Issler, Hans Ruoß, Peter Häfele: Festigkeitslehre - Grundlagen. Springer, 2003, ISBN 3-540-40705-7 (Seite 311 in der Google-Buchsuche).
  2. "Toughness" , NDT Education Resource Center , Brian Larson, Editor, 2001–2011, The Collaboration for NDT Education, Iowa State University
  3. Manfred Riehle, Elke Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik. Wiley-VCH, 2000, ISBN 3-527-30953-5 (Seite 103 in der Google-Buchsuche).
  4. Gunter Erhard: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser, 2008, ISBN 978-3-446-41646-8 (Seite 125 in der Google-Buchsuche).
  5. Günter Schulze: Die Metallurgie des Schweißens. Springer Berlin Heidelberg, 2009, ISBN 978-3-642-03182-3 (Seite 261 in der Google-Buchsuche).
  6. Günter Gottstein: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Physikalische Grundlagen. 4., neu bearb. Aufl. 2014. Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-36603-1.
  7. Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner: Werkstoffe (= Springer-Lehrbuch). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-71857-4, S. 384, doi:10.1007/978-3-540-71858-1 .
  8. Hermann Dietrich: Mechanische Werkstoffprüfung: Grundlagen, Prüfmethoden, Anwendungen. Expert, 1994, ISBN 3-8169-1035-1 (Seite 140 in der Google-Buchsuche).
  9. Bestimmungskriterien von Mineralen-Tenazität, www.cms.fu-berlin.de









Kategorien: Bruchmechanik | Werkstoffeigenschaft (Festigkeitslehre) | Mineralogie




Stand der Informationen: 29.07.2021 01:54:34 CEST

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