Warum kann Metall plastisch verformt werden?

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4.1.4 Versetzungen und plastische Verformung
Warum ist Metall plastisch verformbar?
Sind Metalle plastisch verformbar?
Wann ist ein Werkstoff plastisch verformbar?
Was geschieht beim plastischen verformen eines Metalls?

4.1.4 Versetzungen und plastische Verformung

	Plastische, d.h. bleibende Verfomung heißt, daß sich ein Kristall nach Einwirkung einer Kraft bleibend verformt hat. Das gilt z. B. für einen Kotflügel, nachdem man gegen einen Baum gefahren ist - der Metallkristall hat jetzt eine ander Form als vorher. Der Baum selbst, falls man ihn nicht gefällt hat, hat sich i.d.R. elastisch verformt (von den Verletzungen der Rinde abgesehen). Er ist nach Wegnehmen der Kraft wieder in der vorherigen Gestalt.
		Plastische Verformung bedingt zwangsläufig, daß Teile eines Kristalls sich gegenüber anderen Teilen verschoben haben. Einige Atome sind nicht mehr dort, wo sie früher waren. Die damit verbundenen bleibenden Verschiebungen der Atome werden immer durch den Durchlauf von Versetzungen durch den Kristall erzeugt.
		Betrachten wir z.B. Bild 2a als einen Zustand, bei dem die durch den Schnitt definierte Versetzung von der orangefarbigen Oberfläche aus in den Kristall hineingelaufen ist, so wäre nach weiterem Durchlaufen der Versetzung "nach hinten", der obere Teil des Kristall gegenüber dem unteren um genau einen Burgersvektor verschoben sobald die Versetzung an der Rückseite austritt.
		Das schauen wir uns genauer an

	Im ersten Schritt legen wir eine "Scherspannung" an, die den oberen Teil des Kristalls gegenüber dem unteren Teil nach links verschieben möchte.
		Solange die Spannung nicht zu groß ist, wird der Kristall sich nur elastisch verformen. Nach Überschreitung einer bestimmten Größe, der Fließspannung oder Fließgrenze, bildet sich jedoch eine Stufenversetzung, die in der gezeigten Weise durch den Kristall wandert. Auf der linken Seite hat sich eine Stufe gebildet; die Höhe der Stufe ist durch den Burgersvektor der Versetzung gegeben.
		Nach Durchqueren des Kristalls hat sich auch auf der rechten Seite eine Stufe gebildet. Der Nettoeffekt des Durchgangs der Versetzung ist die Abgleitung der oberen Kristallhälfte relativ zur unteren um einen Burgersvektor.

Warum so kompliziert, wenn es eigentlich auch einfach geht? Warum rutscht die obere Kristallhälfte nicht einfach geschlossen nach links? Die Antwort werden wir uns in Kapitel 8 noch genauer anschauen: hier nur soviel: Dazu müßten erheblich höhere Kräfte wirken - man muß ja sehr viele Bindungen gleichzeitig lösen; mit einer Versetzung sind es viel weniger.

Im täglichen Leben ist das ein bekannter Effekt. Oft gelingt die Bewegung eines Körpers relativ zu einem anderen viel besser, wenn ein "Defekt" erzeugt wird, der durch den Körper läuft. Nachfolgend ohne Kommentar drei Beispiele.


Teppichverrücken mit Falte	Raupe ("Inchworm")	Wurm

Wie kann eine makroskopische Verformung in alle drei Raumrichtigen (Kotflügel!) durch Versetzungen entstehen, wenn eine Versetzung gerade mal eine Verformung um Bruchteile eines Nanometers bewirkt? Die Antwort ist klar:

1. Es müssen sehr viele Versetzungen zusammenwirken, und

2. Sie müssen auf vielen verschiedenen Ebenen durch den Kristall laufen.

Das wird uns in Kapitel 8 noch beschäftigen, hier wollen wir noch ein Maß für die Menge an Versetzungen in einem Kristall definieren, die Versetzungdichte r. Wir nehmen dafür einfach die Gesamtlänge aller Versetzungen in einem cm3des Kristalls, so daß gilt

r	=	Gesamtlänge Versetzungen Volumen Kristall

[r]	=	cm cm3	= cm–2

Die Dimension von r darf einen nicht in die Irre führen - es sind cm pro cm3! Die durch 1/cm2 insinuierte Flächendichte hat jedoch auch einen Sinn - dazu eine Übungsaufgabe.

Übung 4.1-2

Versetzungsdichten - Definitionen und Messung

Warum ist Metall plastisch verformbar?

Antwort. Beim Verformen eines Metalls werden die Atomrümpfe und Elektronen immer so verschoben, dass keine neuen Bindungssituationen entstehen können. Das Elektronengas hält weiterhin die Atomrümpfe zusammen.

Sind Metalle plastisch verformbar?

Warum ist das so? Lässt sich ein Material dauerhaft verformen (so wie ein Metall oder auch Knetgummi), so nennt man dies eine plastische Verformung. (Das Gegenstück dazu ist die elastische Verformung, die wieder verschwindet, wenn man die äußere Kraft wegnimmt.

Wann ist ein Werkstoff plastisch verformbar?

Die Plastizität oder plastische Verformbarkeit (in Kunst und Kunsthandwerk auch Bildsamkeit) beschreibt die Fähigkeit von Feststoffen, sich unter einer Krafteinwirkung nach Überschreiten einer Elastizitätsgrenze irreversibel zu verformen bzw. umzuformen (zu fließen) und diese Form nach der Einwirkung beizubehalten.

Was geschieht beim plastischen verformen eines Metalls?

des Metalls. Bei der plastischen Verformung kehrt ein Bauteil nicht wieder zu 100% in die ursprüngliche Form zurück – man spricht hier auch von der Formänderung. Ein Teil der Verformung ist nach wie vor elastisch und somit reversibel, nur ein bestimmter Teil ist plastisch und bleibt dauerhaft bestehen.