 Deformation ist die Aktion oder der Prozess der Deformierung oder Verzerrung. Wenn eine Kraft auf ein Objekt angewendet wird, wird das Objekt als Reaktion auf die Kraft entweder komprimiert oder gedehnt. In der Mechanik wird die auf eine Flächeneinheit ausgeübte Kraft als Spannung bezeichnet. Das Ausmaß des Dehnens oder Zusammendrückens (als Antwort auf die Belastung) wird Dehnung genannt. Jedes Material reagiert unterschiedlich auf Stress. Die Antwort hängt stark vom chemischen Bindungstyp der Substanz ab. Verformungen können elastisch oder plastisch sein, je nachdem, was nach dem Lösen der Belastung geschieht. Elastische Verformung ist die Verformung, die bei Wegfall der äußeren Kräfte, die die Änderung verursachen, und der damit verbundenen Belastung verschwindet. Die plastische Verformung ist eine dauerhafte Verformung oder Formänderung eines Festkörpers ohne Bruch unter der Wirkung einer anhaltenden Kraft. Der Hauptunterschied zwischen elastischer Verformung und plastischer Verformung ist der Die elastische Verformung ist reversibel, während die plastische Verformung irreversibel ist. Show
Wichtige Bereiche1. Was ist elastische Verformung? Schlüsselbegriffe: Verformung, elastische Verformung, Elastizität, Kraft, plastische Verformung, Plastizität, Dehnung, Spannung Was ist elastische Verformung?Elastische Verformung ist die Verformung, die bei der Aufhebung äußerer Kräfte verschwindet und die Veränderung und die damit verbundene Belastung verursacht. Die elastische Verformung ist daher reversibel und nicht dauerhaft. Die elastische Verformung lässt sich am besten mit dem chemischen Begriff „Elastizität“ erklären. Elastizität ist die Fähigkeit einer Substanz, nach einer Verformung den Normalzustand wieder aufzunehmen. Die elastische Verformung hängt hauptsächlich von der chemischen Bindung der Substanz ab. Wenn die chemischen Bindungen einer hohen Beanspruchung durch Verformung ohne Bruch standhalten können, kann diese Substanz eine elastische Verformung erfahren. Um dieses Bedürfnis zu erfüllen, sollten sich chemische Bindungen dehnen oder verbiegen, wenn die Substanz einer Belastung ausgesetzt wird. Das Strecken und Biegen von chemischen Bindungen sollte temporär sein. Während des Streckens oder Biegens rutschen die Atome jedoch nicht aufeinander. Mit der Zeit nimmt jedoch die elastische Eigenschaft der Substanzen ab, und manchmal wird die Substanz brüchig und verliert die Duktilität. Die besten Beispiele für elastische Verformung kommen von Elastomeren wie vulkanisiertem Gummi. Vulkanisierter Kautschuk hat eine vernetzte Polymerstruktur. Es gibt Schwefelbrücken zwischen Polymerketten. Diese Schwefelvernetzungen verbessern die Elastizität des Gummis, indem es ihm hilft, Belastungen standzuhalten. Abbildung 1: Eine Spannungsdehnungskurve für ein duktiles Material Das obige Bild zeigt die Spannungs-Dehnungskurve für ein duktiles Material. Bsp .: Kupfermetall. Der elastische Bereich zeigt das Ausmaß, in dem die elastische Verformung stattfindet. Nach der Elastizitätsgrenze wird das Material einer plastischen Verformung unterzogen, die eine dauerhafte Verformung darstellt. Was ist plastische Verformung?Bei der plastischen Verformung handelt es sich um die bleibende Verformung oder Formänderung eines Festkörpers ohne Bruch unter der Wirkung einer anhaltenden Kraft. Dies tritt auf, wenn eine Substanz stark beansprucht wird. Die plastische Verformung ist irreversibel und dauerhaft. Die plastische Verformung lässt sich am besten mit dem chemischen Begriff „Plastizität“ erklären. Plastizität ist die Eigenschaft, leicht geformt oder dauerhaft geformt zu werden. Die plastische Verformung tritt auf, wenn eine begrenzte Anzahl chemischer Bindungen zwischen den Atomen, aus denen die Substanz besteht, gebrochen wird. Während der plastischen Verformung können Atome aufeinander gleiten. Dies verursacht Versetzungen von Atomen; So bleibt das Material nach dem Entfernen der angelegten Spannung still. Bei duktilen Substanzen ist die Elastizitätsgrenze der Ausgangspunkt der plastischen Verformung. Die elastische Grenze ist das maximale Ausmaß, bis zu dem ein Festkörper ohne dauerhafte Änderung der Größe oder Form gedehnt werden kann. Wenn die Spannung über die Elastizitätsgrenze hinaus angelegt wird, wird die Substanz plastisch verformt. Abbildung 2: Die elastische Grenze in einer Spannungs-Dehnungskurve Zu den Materialien, bei denen eine plastische Verformung beobachtet werden kann, gehören Metalle, Kunststoffe, Gesteine usw. Bei duktilen Materialien wie Metallen (z. B. Kupfer) tritt plastische Verformung auf, wenn die Verformung die Elastizitätsgrenze überschreitet. Bei spröden Substanzen wie Steinen kann jedoch keine elastische Verformung vor dem Beginn der plastischen Verformung beobachtet werden. Die plastische Verformung ist wichtig für die Herstellung neuer Artikel durch Hitze- oder Druckbehandlung und Formen. Unterschied zwischen elastischer und plastischer VerformungDefinitionElastische Verformung: Elastische Verformung ist die Verformung, die bei der Aufhebung der äußeren Kräfte verschwindet und die Veränderung und die damit verbundene Belastung verursacht. Plastische Verformung: Plastische Verformung ist die bleibende Verformung oder Formänderung eines Festkörpers ohne Bruch unter der Wirkung einer anhaltenden Kraft. ReversibilitätElastische Verformung: Die elastische Verformung ist reversibel. Plastische Verformung: Die plastische Verformung ist irreversibel. Status nach DeformationElastische Verformung: Die elastische Verformung ist nicht dauerhaft. Die Substanz kann den Ausgangszustand wieder aufnehmen. Plastische Verformung: Die plastische Verformung ist dauerhaft. Die Substanz bleibt nach Entfernung der Belastung unverändert. Chemische BindungenElastische Verformung: Durch die elastische Verformung werden die chemischen Bindungen der Substanz gedehnt und gebogen. Plastische Verformung: Die plastische Verformung bewirkt, dass einige der chemischen Bindungen der Substanz brechen. Atomisches VerhaltenElastische Verformung: Atome verrutschen bei elastischer Verformung nicht aufeinander. Plastische Verformung: Atome gleiten während der plastischen Verformung aufeinander. FazitDie Verformung einer Substanz kann durch die Anwendung von Stress auftreten. Diese Verformung kann in Abhängigkeit von der Art des Stoffes und dem Ausmaß der ausgeübten Spannung elastisch oder plastisch sein. Der Hauptunterschied zwischen elastischer Verformung und plastischer Verformung besteht darin, dass elastische Verformung reversibel ist, während plastische Verformung irreversibel ist. Referenz:1. „Was ist elastische Verformung? - Definition aus Corrosionpedia. ”Corrosionpedia, hier erhältlich.2. „Was ist plastische Verformung? - Definition aus Corrosionpedia. ”Corrosionpedia, hier erhältlich. 3. elastische / plastische Verformung Bildungsressourcen, hier verfügbar. Bildhöflichkeit:1. “Stress-Belastung1” von Moondoggy - (CC BY-SA 3.0) Hier erhältlich.
Jetzt stellen wir dir alles Wissenswerte rund um die elastische Verformung und plastische Verformung infolge einer mechanische Beanspruchung vor. Zudem erklären wir dir die Zusammenhänge bei einer mechanischen Beanspruchung.
“Die plastische Verformung eines Körpers liegt vor, wenn er nicht wieder von allein seine ursprüngliche Form annimmt.” “Die elastische Verformung eines Körpers liegt vor, wenn er von allein wieder seine ursprüngliche Form annimmt.” Grundlagen zur VerformungSpannungen innerhalb eines Werkstoffes entstehen durch eine mechanische Beanspruchung von außen. Dabei kann es sowohl zu elastischen, also reversiblen, oder plastischen, also irreversiblen Verformungen kommen.
Ob es zu einer elastischen, plastischen Verformung oder gar zum Bruch kommt, hängt von der Festigkeit des Werkstoffes ab. Die Festigkeit ist der innere Widerstand des Werkstoffes gegenüber Änderungen von dessen Form ausgelöst durch äußere Kräfte. ++ Videoclip – Festigkeit ++In diesem Videoclip erfährst du alles rund um das Thema Festigkeit.
Auch die Temperatur spielt hier wieder eine entscheidende Rolle im Rahmen der Belastung, aber auch bereits im Vorfeld bei der Erzeugung des Werkstoffes. So weisen kalt umgeformte metallische Werkstoffe andere Eigenschaften auf als Werkstoffe im ursprünglichen Gusszustand oder infolge einer Glühbehandlung. Mechanische BeanspruchungBevor uns jetzt die einzelnen Arten der Verformung genauer anschauen, wollen wir im Vorfeld klären was die mechanische Beanspruchung ist, die die Verformung überhaupt erst verursacht. Die Mechanische Beanspruchung ist das Einwirkung von Kräften oder Momenten auf feste Körper. Das Maß mit dem die mechanische Beanspruchung erfasst wird ist die Spannung. Formal ergibt sich die Spannung aus dem Quotienten von Beanspruchungshöhe und Querschnittsfläche. Dabei müssen wir immer zwischen zwei Formen der Spannung unterscheiden.
NormalspannungDie Normalspannung wirkt immer senkrecht auf die Querschnittsfläche des Werkstoffs. Hier werden folgende Spannungen berücksichtigt:
Zugspannung & Druckspannung – FormelnKennzahlen: Biegespannung – FormelKennzahlen: TangentialspannungDie Tangentialspannung wirkt immer in der Ebene und bewirkt eine gegenseitige Verschiebung zweier Bereiche im Werkstoff. Hier werden folgende Spannungen berücksichtig:
Scherspannung – FormelKennzahlen: Einheit der SpannungDie Angabe einer Spannung erfolgt auf zweierleiweise in den Einheiten: oder Bei einer Spannung gilt immer das Prinzip von Ursache und Wirkung. Ursache = Spannung Wirkung = Formänderung Dabei bewirkt jede Spannung zumindest kurzfristig eine bleibende Änderung der Form.
In der Literatur der Werkstofftechnik findest du unterschiedliche Bezeichnungen für die Änderung der Werkstoffgeometrie:
Diese Angaben sind natürlich nicht in Stein gemeißelt und können sehr wohl in anderen Studienbereichen auftauchen. Aber zumindest hast du jetzt eine Ahnung davon, dass mit allen Begriffen die gleiche Änderung der Maße an Werkstoffen gemeint ist. Elastische Verformung / Reversible Verformung“Die elastische Verformung tritt nur so lange auf, wie eine Spannung auf das Bauteil einwirkt.” ++ Videoclip – Elastische Verformung ++In diesem Clip bekommst du einen genauen Überblick zum Thema Elastische Verformung.In der nächsten Abbildung ist die elastische Verformung schematisch dargestellt. Der Werkstoff verhält sich also rein elastisch und die Formänderung geht nach der Entlastung wieder auf den Wert 0 zurück. Das Bauteil hat dann wieder seine Ausgangsform. Hier muss aber schon einmal erwähnt werden, dass eine elastische Nachwirkung besteht und die Ausgangsform erst nach einer gewissen Erholungsphase wieder erreicht wird. Das elastische Verhalten eines Bauteils hängt immer von dessen gemittelten Gleitmodul und Elastizitätsmodul ab. Gemittelt, da sich beide Module innerhalb der Kristallite unterschiedlich stark ausprägen können, es dann aber in Berechnungen zu umfangreich wird. Zudem müssen wir unterscheiden zwischen einem duktilen und einem spröden Werkstoff.
Duktile Werkstoffe: Die meisten Metalle und Legierungen, sowie viele Kunststoffe und Naturstoffe wie Hölzer. Spröde Werkstoffe: Die meisten Keramiken, Graphit, Glas, einige Kunststoffe und Gestein. Die Duktilität ist die Eigenschaft eines Werkstoffes sich vor dem Eintreten eines Bruchs zu verformen. Glas hat eine sehr niedrige Duktilität und bricht ohne ersichtlicher Verformung. Viele Stahlsorten lassen sich um bis zu 25 % verformen bevor der Bruch eintritt. Gold besitzt sogar eine besonders hohe Duktilität, weshalb es sich bis auf weniger Atomlagen verformen lässt. Blattgold wird daher gerne für Beschichtungen genutzt.
Elastische Formänderungen bestehen nur so lange wie Spannungen wirken! Im Normalfall gilt, dass alle Bauteile im Maschinenbau nur elastisch verformt werden dürfen. Hierzu zählen Federn (Zugfedern, Druckfedern, Torsionsfedern, usw.) Wellen (Vollwellen, Hohlwellen, Profilwellen, usw.) Zahnräder (mit unterschiedlichen Verzahnungen und Größen) Denn damit die Bauteile ihre Funktion bei einer dynamischen Beanspruchung überhaupt erfüllen können, muss die Formänderung begrenzt sein. Elastische Verformung einer FederBei einer Feder, die den elastischen Bereich in den meisten Fällen vollständig ausnutzt, ist es möglich die Verformung durch den Federweg in Abhängigkeit von der Federkraft darzustellen. Die Lineare Federkennlinie stellt diese Relation im Diagramm dar. Darstellung einer Federbewegung. Unter dem Mikroskop kann man sich die Wirkung der Spannung auf das Gefüge wie folgt vorstellen: Die Atomabstände ändern sich bei der elastischen Verformung nur geringfügig. Aufgrund der geringen Kräfte ist jedoch ausgeschlossen, dass die Atome anfangen zu wandern und dann folglich die Bindungen überwindet. Wie das aussehen kann, ist in der nächsten Abbildung dargestellt: Plastische Verformung / Irreversible VerformungEine plastische Verformung liegt immer dann vor, wenn nach der Entlastung eines Werkstoffes bei vorangegangener Belastung eine Formänderung bestehen bleibt. Alternativ spricht man auch von einer bleibenden Verformung. ++ Videoclip – Plastische Verformung ++In diesem Video erhältst du einen Überblick zum Thema Plastische Verformung.Einfach ausgedrückt heißt das: „Die irreversible Verformung bleibt auch dann bestehen, wenn keine Spannung mehr auf den Werkstoff einwirkt. Sie ist die Grundlage für die Umformtechnik.“ Du solltest dir merken, dass die maximale Verformung immer auch einen Anteil einer elastischen Verformung beinhaltet und nach der Entlastung dieser Verformungsbetrag sich wieder zurückbildet, jedoch nicht wieder ein seine Ausgangsform zurückkehrt. Die Differenz aus maximaler Verformung und elastischer Verformung ist dann die plastische Verformung. Maximale Verformung – Elastische Verformung = Plastische Verformung Wie eine plastische Verformung abläuft, siehst du in der nächsten Abbildung dargestellt: Auf der Gitterebene sieht das dann wie folgt aus: Plastische Verformung an BauteilenAn Maschinenteilen, Konstruktionsteilen oder Fahrzeugteilen darf keine irreversible Formänderung auftreten. Denn diese würde die Sicherheit und Funktionstüchtigkeit an den betroffenen Bauteilen direkt gefährden. Demnach müssen die vorliegenden Spannungen immer kleiner sein als die maximal zulässigen Spannungen. Letztere liegen weit unterhalb der Fließgrenze des Werkstoffes. Formal sieht das wie folgt aus: Innerhalb der Umformtechnik wählt man die Umformwerkzeuge deshalb so, dass die mechanische Beanspruchung des Werkstoffes so hoch gewählt wird, dass ein Fließverhalten erreicht wird, welches die gewünschte Formänderung erzeugt. Beispiele für Bereiche in denen eine plastische Verformung bewusst durchgeführt sind, finden sich beinahe ausschließlich in der Umformtechnik wieder:
Wie eine plastische Verformung durch Walzen aussehen kann, siehst du in der nächsten Abbildung Nach dem Walzvorgang hat sich im Werkstoff eine Walzstruktur ausgebildet, dieses Gefüge ist im Gegensatz zum Ausgangsgefüge verändert. Diesen Unterschied siehst du in der nächsten Abbildung: Mechanismen während der Plastischen Verformung Während der plastischen Verformung treten zwei Mechanismen auf.
FließvorgangWird die Fließgrenze im Werkstoff als Folge einer äußeren Kraft überschritten, so tritt ein mehrfaches Wandern von Versetzungen ein. Dieser Vorgang erfolgt in Richtung der Gleitebenen. In der nächsten Abbildung siehst du den Vorgang des Gleitens infolge einer Schubspannung bei einer Stufenversetzung: Bereits vorhandene Versetzung erhöhen die Fließspannung, da sie die Bewegung neuer Versetzungen behindern. Gleiches gilt auch für Korngrenzen, sie sind ebenfalls Hindernisse bei der Wanderung und erhöhen den Spannungswert. Es wenn die Gesamtspannung erreicht und überschritten wird, so beginnt die Umformung des Werkstoffes.
Der Verformungswiderstand des Werkstoffes hängt von der Temperatur und der Formänderungsgeschwindigkeit ab. Je höher die Temperatur und je niedriger die Geschwindigkeit umso niedriger der Verformungswiderstand. VerfestigungDie Verfestigung entsteht durch das Aufstauen von Versetzungen in identischen Gleitebenen. Es entstehen Spannungsfelder, die den Verformungswiderstand erhöhen. Man kann diesen Effekt der Verfestigung bei einer Kaltumformung besonders gut beobachten. Außerdem zeigt sich, dass eine Umformung auch mit einer Änderung der mechanischen/physikalischen Eigenschaften einhergeht. Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch und Härteprüfverfahren wie Brinell und Co. belegen dies. Es besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Änderung der Verformung und dem Verformungsgrad. So nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer oder Aluminium nach einer Kaltumformung bis zu 5 % ab. Überschreitet die mechanische Beanspruchung einen gewissen Wert so mündet die plastische Verformung in einem Bruch. Dieses Thema behandeln wir ausführlich in einem späteren Abschnitt diese Kurses. “Nachdem du jetzt einen Überblick zum Thema elastische Verformung und plastische Verformung erhalten hast, gehen wir im kommenden Kursabschnitt ausführlich auf die Werkstoffprüfung im Detail ein.” Was gibt es noch bei uns?
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Quizfrage 1 Wusstest du, dass unter jedem Kursabschnitt eine Vielzahl von verschiedenen interaktiven Übungsaufgaben bereitsteht, mit denen du deinen aktuellen Wissensstand überprüfen kannst?
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Was ist der unterschied zwischen elastischer und plastischer verformung
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