Zähigkeit

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Zähigkeit oder Tenazität beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Bruch oder Rissausbreitung.[1]

Die Zähigkeit wird durch die Fähigkeit zur Absorption von Energie bei plastischer Verformung bestimmt. Zähe Werkstoffe weisen in der Regel ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität auf.[2]

Die meisten 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).

Die Zähigkeit kann anhand des Last-Verformungs-Diagramms abgeschätzt, aber nicht abschließend bestimmt werden, da zur Quantifizierung neben der Bruchnennspannung auch die Kenngrößen Bruchverformung, Brucharbeitsaufnahme und Rissstoppvermögen herangezogen werden.[1][3] Damit können neben verbesserten Brucheigenschaften auch Rissablenkung oder Rissverzweigung zur Zähigkeitssteigerung führen.

Das Gegenteil der Zähigkeit ist die Sprödigkeit.[4] 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.

Temperaturabhängigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 beschrieben.[5] Die Einsatztemperatur sollte stets oberhalb 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.[6]

Messmethoden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kenngrößen der Zähigkeit werden mit Hilfe von unterschiedlichen Testverfahren oder Methoden der Bruchmechanik bestimmt. So werden die Bruchnennspannung und die Brucharbeitsaufnahme durch den Kerbschlagbiegeversuch, Kerbzugversuch, Durchstoßversuch oder Zugversuch, die Bruchverformung mit dem Biege- oder Faltversuch bzw. dem Kerbschlagbiegeversuch ermittelt. Das Rissstoppvermögen wird durch den Kerbschlagbiegeversuch oder Fallgewichtsversuch bestimmt.[1]

Zähigkeitsklassen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Tenazität von Mineralen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

  • Bei sprödem (fragilem) Mineral springt der Ritzstaub von der Oberfläche weg. Der Großteil der Minerale gehören in diese Kategorie.
  • Bei mildem (tendilem) Mineral springt das Ritzpulver nicht weg, sondern bleibt am Rand der Ritzspur liegen. Bsp.: Galenit, Antimonit
  • Bei schneidbarem (sektilem) Mineral erzeugt die eindringende Nadel eine Ritzspur, aber kein Ritzpulver. Bsp.: Talk, gediegenes Bismut

Die Tenazität des gesamten Minerals wird durch Verbiegen getestet:

  • Spröde Minerale zerbrechen.
  • Geschmeidige (duktil/malleabel) Mineralien ändern dauerhaft ihre Form. Die Formänderung erfolgt plastisch, d. h. ohne zu zerbrechen; z. B. kann ein Mineral zu einem Plättchen gehämmert oder zu einem Draht gezogen werden. Bsp.: viele Metalle (Silber, Gold, Kupfer etc.), Argentit.
  • Unelastisch-biegsame (flexibel) Minerale unterscheiden sich von den duktilen Mineralen dadurch, dass der Kristall nur gebogen werden kann. Hämmern oder Ziehen würde zum Zerbrechen führen. Sie bleiben nach dem Biegen ebenfalls in der neuen Form. Bsp.: Gips.
  • Elastisch-biegsame (elastic) Mineralien kehren dagegen nach dem Verbiegen wieder ihre ursprüngliche Form zurück. Bsp.: Biotit, Hellglimmer, Biotit-Glimmer[7]

Zähigkeit von Kohlenstofffasern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kohlenstofffasern werden nach sieben Graden ihrer Reißfestigkeit klassifiziert:

HT
hochfest (High Tenacity)
IM
intermediate (Intermediate Modulus)
HM
hochsteif (High Modulus)
UM
(Ultra Modulus)
UHM
(Ultra High Modulus)
UMS
(Ultra Modulus Strength)
HMS
hochsteif/hochfest

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Lothar Issler, Hans Ruoß, Peter Häfele: Festigkeitslehre - Grundlagen. Springer, 2003, ISBN 978-3-540-40705-8 (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. Hermann Dietrich: Mechanische Werkstoffprüfung: Grundlagen, Prüfmethoden, Anwendungen. Expert, 1994, ISBN 978-3-8169-1035-0 (Seite 140 in der Google-Buchsuche).
  4. Manfred Riehle, Elke Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik. Wiley-VCH, 2000, ISBN 978-3-527-30953-5 (Seite 103 in der Google-Buchsuche).
  5. Gunter Erhard: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser, 2008, ISBN 978-3-446-41646-8 (Seite 125 in der Google-Buchsuche).
  6. Günter Schulze: Die Metallurgie des Schweißens. Springer Berlin Heidelberg, 2009, ISBN 978-3-642-03182-3 (Seite 261 in der Google-Buchsuche).
  7. Bestimmungskriterien von Mineralen-Tenazität, www.cms.fu-berlin.de