Die Verformung von Werkstoffen kann als makroskopische Änderung der Größe und Form von Werkstoffen unter dem Einfluss von mechanischer Belastung, thermischer Belastung oder Phasenübergang usw. definiert werden. Aus mechanischer Sicht kann man die Verformung in zwei Kategorien einteilen: elastische und plastische Verformung.
Elastische und plastische Verformung
Wenn die äußere Spannung die Streckgrenze des Materials nicht überschreitet, erlebt das Material eine elastische Verformung, die nicht dauerhaft ist, d. h., wenn die angelegte Spannung entfernt wird, neigt das Material dazu, in seine ursprüngliche Größe und Form zurückzukehren. Im elastischen Bereich nehmen Spannung und Dehnung proportional zueinander zu, indem sie genau dem Hookesches Gesetz folgen. Wenn die angelegte Spannung über die Fließgrenze ansteigt, beginnt die Phase der plastischen Verformung, in der sich das Material viel schneller und dauerhaft verformt. Innerhalb des plastischen Bereichs gibt es sowohl elastische als auch plastische Verformungen. Abbildung 1 stellt ein typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Metalls dar. Hier stellt der Punkt A die Proportionalitätsgrenze dar, an der der lineare Charakter des Diagramms verschwindet, und der Punkt B die Streckgrenze (Elastizitätsgrenze) des Materials. Jenseits von Punkt B spricht man von einem plastischen Bereich, in dem die Dehnung dauerhaft ist. Während der plastischen Verformung bilden sich einige Risse, die sich verbreiten, bis das Material vollständig gebrochen hat.
Der grundlegende Mechanismus, auf den sich die plastische Verformung stützt, ist die Bewegung von Versetzungen. Im elastischen Bereich kann die angewandte Spannung, da sie niedriger als die Fließgrenze ist, die Versetzungsbewegung nicht aktivieren, so dass sich die Atombindungen nur vorübergehend dehnen und in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, wenn die Spannung entfernt wird. Im plastischen Bereich jedoch übersteigt die angelegte Spannung die Fließgrenze, so dass sie eine Verformungsbewegung aktivieren kann. Hier werden die Atombindungen sowohl gedehnt als auch gebrochen, und die Ebenen scheren übereinander, wodurch sich das Material dauerhaft verformt. Abbildung 2 stellt die Unterschiede zwischen elastischer und plastischer Verformung in der atomaren Skala dar. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, werden bei der plastischen Verformung, nachdem die Last entfernt wurde, während die Scherebenen geblieben sind, die gedehnten Bindungen wiederhergestellt..
Die Rolle von Versetzungen bei der plastischen Verformung
Versetzungen sind Defekte, bei denen eine zusätzliche Halbebene in das Gitter eingefügt ist. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Versetzungen als Rand- und Schraubenversetzungen, manchmal treten sie beide gleichzeitig auf, was dann als Mischversetzung bezeichnet wird. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Versetzungsbewegungen wie Gleiten und Steigen. Während des Gleitens bewegen sich die Versetzungen entlang einer Oberfläche, die durch ihren Burgersvektor definiert ist; während des Steigens hingegen bewegen sich die Versetzungen außerhalb der Gleitfläche. Die plastische Verformung in Metallen entsteht vorwiegend durch Scherung, d.h. durch das Gleiten von Gitterebenen übereinander, wobei makroskopische Änderungen möglich sind, ohne die atomare Anordnung zu beeinflussen. Die Spannung, die für die plastische Verformung erforderlich ist, kann gesenkt werden, indem die Verformung durch die Bewegung von Liniendefekten lokalisiert wird, anstatt die gesamte Gitterebene zu verschieben. Während die erforderliche Kraft, um die gesamten atomaren Bindungen auf einmal zu brechen, groß ist, können durch die Bewegung von Versetzungen entlang von Ebenen die Atome bei geringerer Spannung übereinander gleiten. Daher ist der Hauptmechanismus der plastischen Verformung in Metallen die Erzeugung und Bewegung von Versetzungen.
Mechanismen der plastischen Verformung
In vielen Metallen ist der grundlegende Mechanismus der plastischen Verformung der Schlupf. In Fällen, in denen der Schlupf nicht möglich ist, wird jedoch der Zwilling zur Grundlage der plastischen Verformung. Neben Schlupf und Zwilling in Einkristallen gibt es auch kompliziertere Verformungsmechanismen, die für die plastische Verformung in polykristallinen Metallen verantwortlich sind, wie z. B. das Korngrenzengleiten.
Schlupf
Schlupf ist eine Bewegung von Atomen, die innerhalb des Kristallgitters übereinander schlupfen, wenn die angelegte Spannung die kritische aufgelöste Scherspannung des Materials überschreitet. Das Schlupf erfolgt durch die Bewegung von Versetzungen entlang dicht gepackter Ebenen und Richtungen, die die meisten Atome pro Längeneinheit enthalten. Der Begriff Gleitsystem stellt die Menge der Gleitebenen und -richtungen dar, in denen die Versetzungsbewegung weniger Energie erfordert. Es gibt einen bemerkenswerten Anstieg der theoretisch berechneten aufgelösten Scherspannung im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen aufgrund der Existenz von Versetzungen. Anstatt neue Versetzungen zu erzeugen, indem man eine vorhandene Versetzung dazu bringt, sich entlang der Gleitebene zu bewegen, ist es möglich, plastische Verformung durch Schlupf zu fördern. Im Allgemeinen ist Schlupf der grundlegende Mechanismus der plastischen Verformung, wenn die Struktur nur aus dicht gepackten Gleitsystemen in ausreichender Menge besteht, andernfalls treten andere Verformungsmechanismen in Kraft.
Zwilling
Obwohl im Allgemeinen die plastische Verformung durch Schlupf erfolgt, wird in einigen Fällen, in denen weniger Gleitsysteme vorhanden sind, das Zwilling zum grundlegenden Mechanismus der Verformung. Zwilling ist der Neuordnung von Atomen, die einer Verformung unterworfen sind, was zu einer Änderung der Orientierung der Atome führt, d. h. lokale Atome ordnen sich spiegelbildlich zueinander in einer Zwilling-Ebene an. Ähnlich wie beim Schlupf erfolgt das Zwilling über bestimmte kristallographische Ebenen und Richtungen, die als Zwillingsebene und Zwillingsrichtungen bezeichnet werden. Während des Zwillings bewegen sich die Atome, die parallel zur Zwillingsebene liegen, entlang des Gitters, was zu einer Verzerrung des Gitters innerhalb der Zwillingsregion führt. Das Ausmaß der Bewegung ist direkt proportional zum Abstand der einzelnen Atomebenen zur Zwillingsebene. Das Zwilling trägt zur plastischen Verformung bei, indem sie den Ebenen ermöglicht, weiterer Schlupf zu entwickeln, indem sie die Ebenen-Orientierung beeinträchtigt.
Korngrenzengleiten
Das Korngrenzengleiten ist ein korngrößensensitiver Verformungsmechanismus, der es den Körnern ermöglicht, durch Veränderung der Kornform mittels Scherverformung entlang der Grenzen durcheinander zu gleiten, ohne dass es zu Reibung oder Hohlraumbildung kommt. Da der Mechanismus über diffusiven Stofftransport erfolgt, ist er mit der Entwicklung von Superplastizität verbunden. Bei hoher Temperatur und niedriger Spannung entwickelt sich die Verformung durch gegenseitige Akkommodation von Korngrenzengleiten und Stofftransport. Beim diffusiven Stofftransport wird die Dehnung in den Kornformen durch Diffusionskriechen akkommodiert, das ebenfalls korngrößenabhängig ist und bei hoher Temperatur und niedriger Dehnungsrate auftritt. Daher ist eine hohe Temperatur ein Muss, damit das Korngrenzengleiten stattfinden kann. Unter solchen Bedingungen wird die Dehnung durch Nachbarschaftswechsel erzeugt, was zu einer großen Verformung ohne nennenswerte innere Verformung der Körner führt. Dieser Vorgang wird als superplastische Verformung bezeichnet.
Plastisches Verformungsvermögen eines Metalls
Um festzustellen, ob sich ein Material plastisch verformen kann oder nicht, sind neben den Prozessvariablen wie angewandte Spannung, Temperatur usw. die mechanischen Eigenschaften des Materials von großer Bedeutung haben. Wie bereits erwähnt, müssen für eine plastische Verformung des Materials die Atombindungen nicht nur erweitert, sondern auch gebrochen werden, was nur möglich ist, wenn die angelegte Spannung die Streckgrenze des Materials überschreitet. Daher wird es mit zunehmender Streckgrenze eines Materials schwieriger, es plastisch zu verformen. Als eine zur Streckgrenze umgekehrt proportionale Eigenschaft stellt die Duktilität die Fähigkeit eines Materials dar, sich zu verformen, ohne zu brechen oder zu reißen. Durch die Durchführung eines Zugprüfung ist es möglich, Maße der Duktilität wie Bruchdehnung und Flächenverkleinerung, die das Material zeigt, zu beobachten. Sogar durch die visuelle Untersuchung eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms nach einem Zugprüfung kann die Duktilität identifiziert werden: Materialien, die eine breitere Kurve im Diagramm zeigen, werden als duktil angesehen. Alle Faktoren, die eine reduzierende Wirkung auf die Duktilität haben, würden sich in gleicher Weise auf die Verformungsfähigkeit des Materials auswirken, wie z. B. die Festigkeit und die Härte.
References
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[4] https://engineeringlibrary.org/reference/properties-of-metals-doe-handbook
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[6]https://www.researchgate.net/publication/27345883_Modelling_plastic_deformation_of_metals_using_irreversible_thermodynamics/figures?lo=1
