In den Vereinigten Staaten werden einige Pyrex-Produkte aus Backglas jetzt aus kostengünstigeren Natron-Kalk-Gläsern hergestellt, die thermisch vorgespannt sind. Diese Gläser sind jedoch weniger resistent gegenüber thermischem Schock als Borosilikatglas. Dies hat zur Folge, dass einige dieser Backgeschirrteile bei normalen Temperaturänderungen während des Backvorgangs zersplittert sind, wobei Glasscherben in alle Richtungen flogen und in einigen Fällen sogar Verletzungen verursachten. In Europa wird Pyrex-Glaswaren von einer anderen Firma hergestellt, die nach wie vor Borosilikatglas verwendet, was eine weitaus höhere thermische Schockbeständigkeit aufweist.

Die Ursache von thermischen Spannungen liegt in der unterschiedlichen Ausdehnung von Materialien bei Temperaturänderungen. Diese Spannungen entstehen durch die ungleiche Ausdehnung eines Körpers, wobei die inneren Teile langsamer oder stärker reagieren können als die äußeren. Dies führt zu Differenzen in der Größe des Materials, was unter Umständen zu Frakturen führen kann, wenn diese Spannungen die Festigkeit des Materials überschreiten. Ein solcher Bruch durch schnelle Temperaturänderungen wird als thermischer Schock bezeichnet. Keramische Materialien sind besonders anfällig für diese Art von Versagen, da sie spröde sind und keine großen Verformungen vor einem Bruch ertragen können.

Die thermische Ausdehnung eines Materials ist eine seiner wichtigsten physikalischen Eigenschaften. Jedes Material dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Bei Glas oder Keramik, die typischerweise wenig plastische Verformbarkeit besitzen, können diese Veränderungen sehr schnell zu Rissen oder Brüchen führen, wenn die Temperaturunterschiede zu groß sind oder die Temperaturänderung zu schnell erfolgt. Ein besonders empfindlicher Punkt ist der Übergang von einer kalten zu einer heißen Umgebung oder umgekehrt. Daher ist das Verständnis der thermischen Ausdehnung und der damit verbundenen Spannungen für die Entwicklung von widerstandsfähigeren Materialien von großer Bedeutung.

Thermische Spannungen lassen sich mit Hilfe spezifischer Gleichungen berechnen, die die Dimensionen des Körpers, den Temperaturunterschied und die Materialeigenschaften wie den Ausdehnungskoeffizienten und die Festigkeit des Materials berücksichtigen. Eine wichtige Größe dabei ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient, der angibt, wie stark sich ein Material in seiner Länge bei einer Temperaturänderung ausdehnt. Dies ist besonders relevant, wenn Materialien in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden, die nicht nur unterschiedlichen Temperaturen, sondern auch unterschiedlichen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Eine zu schnelle Erwärmung oder Abkühlung kann dabei zu einem katastrophalen thermischen Schock führen.

Im Vergleich dazu zeigt sich, dass Materialien wie Borosilikatglas eine wesentlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber diesen thermischen Belastungen aufweisen. Diese Art von Glas besitzt eine besonders geringe Ausdehnung bei Temperaturänderungen, was es zu einer idealen Wahl für Anwendungen macht, bei denen schnelle Temperaturwechsel häufig sind, wie beispielsweise in Laborgeräten oder bei der Verwendung in Backwaren. Der Unterschied in der Materialwahl, wie bei Pyrex in den USA und Europa, verdeutlicht den Einfluss von Materialeigenschaften auf die Sicherheit und Haltbarkeit von Produkten im täglichen Gebrauch.

Zusätzlich zu den bekannten Materialien und deren Verhalten unter thermischen Stressbedingungen spielen auch noch andere physikalische Eigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität eine Rolle bei der Bestimmung der Temperaturbeständigkeit eines Materials. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme von einem Bereich zum anderen zu transportieren, was wiederum die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der sich ein Material erwärmt oder abkühlt. Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit sind tendenziell besser geeignet, Temperaturschocks zu überstehen, da sie weniger schnell auf plötzliche Temperaturänderungen reagieren.

Wichtig ist auch das Verständnis von thermischen Spannungen und deren Berechnung, insbesondere in komplexen Anwendungen, wo schnelle Temperaturänderungen nicht nur durch direkte Erwärmung oder Abkühlung, sondern auch durch andere Umweltfaktoren verursacht werden können. Neben der Temperatur müssen oft auch Faktoren wie Luftfeuchtigkeit, mechanische Belastung und die Geometrie des Objekts berücksichtigt werden.

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Magnetische Anisotropie und ihre Bedeutung für die Materialverarbeitung

Die magnetische Hysteresekurve, die in Abschnitt 20.7 behandelt wird, variiert in ihrer Form je nach verschiedenen Faktoren: (1) ob das Material ein Einkristall oder ein Polykrystall ist, (2) bei Polykrystalldüssen, ob eine bevorzugte Orientierung der Kristallkörner vorliegt, (3) das Vorhandensein von Poren oder Phasenübergängen, und (4) weitere Einflussgrößen wie Temperatur oder mechanische Spannungen. Insbesondere bei ferromagnetischen Materialien ist die Orientierung der Kristalle entscheidend für das Magnetisierungsverhalten.

Für Einkristalle von ferromagnetischen Materialien, wie Nickel (FCC) und Eisen (BCC), hängt die Magnetisierungskurve von der Kristallrichtung ab, in die das angelegte Magnetfeld wirkt. Dies wird in den Magnetisierungskurven für Nickel und Eisen gezeigt, die in verschiedenen kristallographischen Richtungen – [100], [110] und [111] – ermittelt wurden. Ein vergleichbares Verhalten zeigt sich auch für Kobalt (HCP), das in den Richtungen [0001] und [1010]/[1120] magnetisiert wurde. Diese Abhängigkeit des magnetischen Verhaltens von der Kristallorientierung wird als magnetische Anisotropie bezeichnet.

In jeder dieser Materialien existiert eine Kristallrichtung, in der die Magnetisierung am einfachsten erfolgt – dies bedeutet, dass die Sättigung bei dem niedrigsten H-Feld erreicht wird. Diese Richtung wird als „einfache Magnetisierungsrichtung“ bezeichnet. Für Nickel beispielsweise ist dies die [111]-Richtung, in der die Sättigung bei Punkt A erreicht wird. Entsprechend sind die einfachen Magnetisierungsrichtungen für Eisen und Kobalt die Richtungen [100] bzw. [0001]. Im Gegensatz dazu ist die „harte“ Kristallrichtung diejenige, in der die Sättigung am schwierigsten erreicht wird, das heißt, die Richtung, in der die Magnetisierung unter höchsten Anwendungsfeldern erfolgt. Für Nickel, Eisen und Kobalt sind dies die Richtungen [100], [111] und [1010]/[1120].

Ein weiterer entscheidender Aspekt der magnetischen Anisotropie ist die Veränderung der Magnetisierung während der Magnetisierungszyklen, was auf die Umorientierung von Magnetisierungsdomenen innerhalb des Materials hinweist. Diese Domainen wachsen oder schrumpfen entsprechend der Ausrichtung ihrer Magnetisierungsrichtung zur Richtung des angelegten Magnetfelds. So zeigt die Darstellung der Domains entlang der Hysteresekurve, wie magnetische Bereiche, deren Orientierung der Feldrichtung am nächsten kommt, wachsen, während andere Bereiche schrumpfen.

Die Größe und Form der Hysteresekurve von Ferro- und Ferrimagneten ist von praktischer Bedeutung, insbesondere in Bezug auf Energieverluste. Die Fläche innerhalb der Hystereseschleife stellt den Energieverlust pro Volumen des Materials pro Magnetisierungs- und Entmagnetisierungszyklus dar, was als Wärme im Material manifestiert wird. Diese Wärme kann das Material aufheizen, was in vielen praktischen Anwendungen problematisch sein kann. Daher werden ferromagnetische Materialien in zwei Kategorien unterteilt: weichmagnetische und hartmagnetische Materialien.

Weichmagnetische Materialien, wie sie in Transformatorenkernen verwendet werden, müssen so beschaffen sein, dass ihre Hysteresekurve relativ klein ist. Sie zeichnen sich durch eine dünne und schmale Schleife aus, wie sie in Abbildung 20.19 dargestellt wird. Ein solches Material hat eine hohe Anfangspermeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft, was bedeutet, dass es sich leicht magnetisieren und entmagnetisieren lässt. Weichmagnetische Materialien sind also ideal für Geräte, die in wechselnden Magnetfeldern arbeiten und bei denen die Energieverluste minimiert werden müssen.

Ein praktisches Beispiel für ein solches Material ist eine Eisen-Silizium-Legierung (97 Gew.-% Fe, 3 Gew.-% Si), die in Transformatoren verwendet wird. Diese Legierung ist magnetisch anisotrop, wie auch Einkristalle von Eisen. Um die Energieverluste von Transformatoren zu minimieren, könnten deren Kerne aus Einkristallen bestehen, wobei eine spezielle Kristallorientierung – etwa die [100]-Richtung – genutzt wird, um die Effizienz der Magnetisierung zu maximieren.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Herstellung von weichmagnetischen Materialien ist die Vermeidung von strukturellen Defekten wie Poren oder nichtmagnetischen Phasenpartikeln. Diese Defekte können die Bewegung der Magnetisierungsdomenen behindern und die Koerzitivkraft erhöhen, was die Effizienz des Materials verringert. Daher sind weichmagnetische Materialien, die in technischen Anwendungen verwendet werden, in der Regel frei von solchen Mängeln.

Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass die Magnetisierungseigenschaften eines Materials nicht nur von seiner chemischen Zusammensetzung abhängen, sondern auch von der Art der Kristallstruktur und der Orientierung der Kristalle zueinander. Beispielsweise beeinflusst die Art und Weise, wie ein Material verarbeitet wird – etwa durch Walzen – die Orientierung der Kristalle und somit auch seine magnetischen Eigenschaften. Walzen führt zu einer bevorzugten Kristallorientierung, die für die Magnetisierungseffizienz von großer Bedeutung ist. Ein solches Verfahren wird häufig verwendet, um Materialien für Transformatorenkernen oder ähnliche Anwendungen zu fertigen, bei denen es auf eine geringe Hysterese ankommt.

Wie entstehen plastische Verformungen in Kristallen? Einblick in Gitterdeformationen und Gleitsysteme

Die plastische Verformung von Einzelkristallen erfolgt durch das Verschieben von Atomen entlang bestimmter Gleitebenen, wobei diese Bewegung durch die Scherkräfte beeinflusst wird, die an den Kristallgitterebenen wirken. In einem Einzelkristall unter Zugbelastung beginnt die Verformung mit dem Gleiten der Versetzungen auf den am günstigsten orientierten Gleitebenen. Dabei entstehen auf der Oberfläche des Kristalls feine Stufen, die parallel zueinander verlaufen und sich entlang der Probe um den Umfang des Kristalls ziehen. Diese Stufen resultieren aus der Bewegung von Versetzungen, die sich entlang der gleichen Gleitebene fortbewegen. Auf einer polierten Oberfläche eines Einzelkristalls erscheinen diese Stufen als Linien, die als „Gleitlinien“ bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Zink-Einzelkristall, der plastisch verformt wurde, sodass diese Gleitmarkierungen sichtbar werden.

Mit fortschreitender Dehnung eines Einzelkristalls nehmen sowohl die Anzahl der Gleitlinien als auch die Breite der Gleitstufen zu. Bei Metallen mit kubischer Flächenzentrierung (FCC) oder kubischer Körperzentrierung (BCC) kann die Gleitebene schließlich eine zweite Gleitsystemebene erreichen, die ebenfalls eine günstige Orientierung in Bezug auf die Zugachse hat. Im Fall von hexagonal dichtest gepackten (HCP) Kristallen, die nur wenige Gleitsysteme aufweisen, kommt es jedoch bei bestimmten Orientierungen – wenn die Zugachse senkrecht zur Gleitebene oder parallel zur Gleitrichtung liegt – zu einem Phänomen, bei dem die kritische Auflöseschubspannung null wird. In solchen Fällen bricht der Kristall häufig, anstatt sich plastisch zu verformen.

Ein tieferes Verständnis für die kritische Auflöseschubspannung ist entscheidend, da diese den Punkt beschreibt, an dem ein Kristall zu verformen beginnt. Diese Spannung ist direkt mit der Orientierung der Gleitebenen im Kristall verbunden. Die Größe dieser Spannung hängt davon ab, wie die äußeren Kräfte mit der inneren Struktur des Kristalls in Einklang stehen, was in Gleichung 7.2 beschrieben wird. Beispielsweise kann die Berechnung der kritischen Auflöseschubspannung bei der Beeinflussung der Kristallstruktur und der Anfangsbedingungen der Belastung aufschlussreich sein.

Im Gegensatz zu Einzelkristallen ist die plastische Verformung in polykristallinen Materialien komplexer, da hier mehrere Kristallkörner mit zufällig orientierten Gitterstrukturen vorliegen. Jedes einzelne Korn deformiert sich entlang der Gleitebene, die am besten ausgerichtet ist, aber der gesamte Prozess wird durch die Wechselwirkungen an den Korngrenzen beeinflusst. In einem polykristallinen Material gibt es eine Vielzahl von Gleitsystemen, da die Kristalle unterschiedliche Orientierung haben. Dies führt zu einer Vielzahl von Gleitlinien, die sich in unterschiedliche Richtungen ausrichten, abhängig von der Kornstruktur und den jeweiligen Gitterorientierungen.

Diese polykristallinen Materialien sind in der Regel stärker als Einzelkristalle, was bedeutet, dass größere Spannungen erforderlich sind, um das Gleiten zu initiieren und damit das Fließen des Materials. Diese höhere Festigkeit ist zu einem großen Teil auf die geometrischen Einschränkungen zurückzuführen, die während der Verformung zwischen den Körnern auftreten. Wenn ein Korn günstig orientiert ist, um zu gleiten, können benachbarte Körner, die weniger günstig orientiert sind, dies verhindern, sodass eine höhere angewandte Spannung notwendig wird.

Der Mechanismus der plastischen Deformation wird durch die Bewegung von Versetzungen in den Kristallstrukturen bestimmt. Diese Versetzungen bewegen sich nicht nur entlang der bevorzugten Gleitebenen, sondern können auch durch Zwillingsbildung beeinflusst werden. Zwillingsbildung ist ein weiterer Mechanismus der plastischen Deformation, bei dem eine bestimmte Menge an Material entlang einer Zwillingsachse umgekehrt wird, um eine neue, symmetrische Struktur zu schaffen. Dies geschieht durch einen Scherstress, der die Kristallstruktur umkehrt, was eine andere Art der plastischen Verzerrung darstellt, als sie bei der üblichen Gleitschubverformung auftritt.

Für ein vertieftes Verständnis dieses Prozesses ist es notwendig, sich die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Metallstrukturen genau anzusehen und zu wissen, wie deren Gitterorientierungen die Verformung beeinflussen. Die Tatsache, dass Kristalle mit unterschiedlichen Orientierungen unterschiedliche Widerstände gegenüber der Verformung aufweisen, ist ein entscheidender Punkt, der die Grundlage für viele moderne Werkstofftechnologien bildet. Es ist auch wichtig zu verstehen, dass die Wechselwirkung der Gitterebenen in einem Material zu einer signifikanten Veränderung der mechanischen Eigenschaften führen kann.

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Wie der Übergang von duktil zu spröde das Versagen von Materialien beeinflusst

Der Übergang von duktil zu spröde ist ein kritisches Konzept in der Werkstoffkunde, insbesondere wenn es um das Verhalten von Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen geht. Die thermische Abhängigkeit des Charpy-V-Kerbschlagenergie ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Untersuchung dieses Übergangs. Diese Abhängigkeit zeigt, wie die Energie, die erforderlich ist, um einen Testkörper zu brechen, mit sinkender Temperatur abnimmt. Die Darstellung dieses Verhaltens ist in vielen technischen Anwendungen von zentraler Bedeutung, da der Übergang von duktil zu spröde oft die Grenze zwischen sicheren und gefährlichen Betriebsbedingungen markiert.

Die grundlegende Charakteristik des Übergangs von duktil zu spröde kann durch die Analyse der Bruchfläche des Materials bestimmt werden. Bei duktilem Bruch zeigt die Bruchfläche eine faserige oder stumpfe Struktur, was auf eine plastische Verformung hinweist. Bei sprödem Bruch hingegen ist die Bruchfläche glänzend und granular, was auf einen spröden, sprunghaften Bruch hindeutet. Zwischen diesen beiden Extremen existiert eine Übergangszone, in der das Material sowohl Merkmale von duktilen als auch von spröden Brüchen zeigt. Dieser Bereich variiert je nach Legierung und Mikrostruktur des Materials, was die Festlegung eines genauen Übergangstemperaturbereichs erschwert.

Ein gängiger Ansatz zur Bestimmung des Übergangstemperaturbereichs ist die Messung der Charpy-Schlagzähigkeit (CVN) bei verschiedenen Temperaturen. Bei vielen Stählen kann der Übergang von duktil zu spröde über einen Temperaturbereich hinweg erfolgen, was die Definition einer einzelnen Übergangstemperatur problematisch macht. Häufig wird der Übergangstemperaturbereich anhand eines bestimmten Kriteriums wie der eingesetzten Schlagenergie oder der Art der Bruchoberfläche festgelegt. Für viele Stähle liegt die Übergangstemperatur bei etwa 110°C (230°F), was bedeutet, dass der Stahl bei Temperaturen über diesem Wert duktile Eigenschaften zeigt und unterhalb dieser Temperatur spröde wird.

Ein praktisches Beispiel für die Relevanz dieses Phänomens wurde während des Zweiten Weltkriegs beobachtet. Zahlreiche Schiffswracks von Transportern, die in Gebieten fernab des Kampfgeschehens gesunken waren, erlitten Brüche bei niedrigen Temperaturen von etwa 4°C. Diese Schiffe waren aus Stahllegierungen gebaut, die bei Raumtemperatur ausreichend zäh erschienen, jedoch bei den tieferen Temperaturen im Bereich des Übergangs von duktil zu spröde versagten. Der Bruch begann oft an Stellen mit hoher Spannungsansammlung, wie scharfen Ecken oder Fertigungsfehlern, und breiteten sich dann entlang der gesamten Schiffslängsachse aus.

Für Stähle mit kubisch-raumzentrierten (BCC) Kristallstrukturen, wie sie in vielen niedrigen Stählen vorkommen, ist die Übergangstemperatur besonders empfindlich gegenüber der Legierungszusammensetzung und der Mikrostruktur. Eine Verfeinerung der Körnung eines Stahls kann die Übergangstemperatur senken, was sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit des Materials verbessert. Umgekehrt kann der Kohlenstoffgehalt eines Stahls die Übergangstemperatur erhöhen, was den Stahl spröder macht, obwohl seine Festigkeit steigt. Solche Veränderungen in der Mikrostruktur und Legierungszusammensetzung sind von entscheidender Bedeutung, um die Zähigkeit und das Verhalten eines Werkstoffs in unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu kontrollieren.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist, dass Materialien nicht nur bei niedrigeren Temperaturen spröde werden können. Materialien wie Keramiken und Polymere durchlaufen ebenfalls einen Übergang von duktil zu spröde, wobei dieser Übergang für Keramiken normalerweise bei sehr hohen Temperaturen auftritt, oft über 1000°C. Polymere zeigen ebenfalls ein ähnliches Verhalten, aber die Übergangstemperatur kann je nach Art des Polymers stark variieren.

Neben der Kenntnis des Übergangsverhaltens von duktil zu spröde müssen Ingenieure und Materialwissenschaftler auch die potenziellen Gefahren verstehen, die mit Materialien verbunden sind, die in kritischen Temperaturbereichen betrieben werden. Insbesondere bei Strukturen, die ständigen oder dynamischen Lasten ausgesetzt sind, wie etwa Brücken oder Flugzeugteile, ist das Verständnis der Materialermüdung entscheidend. Diese Art des Versagens tritt auf, wenn wiederholte Belastungen dazu führen, dass sich Risse im Material entwickeln, die schließlich zu einem Bruch führen können, ohne dass es zu einer deutlichen plastischen Verformung kommt. Auch wenn die Belastung unterhalb der statischen Festigkeit des Materials liegt, kann ein solcher Bruch katastrophale Folgen haben.

Ein vertieftes Verständnis des Übergangs von duktil zu spröde sowie der Materialermüdung ist unerlässlich, um Materialien für den jeweiligen Einsatz optimal auszuwählen. Dies betrifft nicht nur die Festigkeit und Zähigkeit von Materialien, sondern auch die Langzeitstabilität und die Auswirkungen wiederholter Belastungen.

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