Hallo,
warum bricht denn ein tiefgekühltes Werkstücke leichter als ein angewärmtes?
Ist das, weil ein warmes Stück mehr ausweichen kann, wenn man drauf haut und deshalb mehr Energie noch in der Bewegung des Hammers bleibt (weil der ja dann abrutscht), als wenn man auf ein hartes Stück klopft, was dann alle Energie aufnehmen muss, weil es sich nicht so stark verbiegt?
Danke
Tim
Hallo Tim,
warum bricht denn ein tiefgekühltes Werkstücke leichter als
ein angewärmtes?
weil es spröder/weniger zäh oder auch härter ist.
Zu Sprödigkeit verweise auf das beliebte Experiment aus dem Chemieunterricht mit einem Gummischlauch: Bei Zimmertemperatur ist der unkapputbar, in flüssigen Stickstoff gehalten zerspringt er bei leichtestem Aufschlagen auf den Tisch.
Ist das, weil ein warmes Stück mehr ausweichen kann, wenn man
drauf haut und deshalb mehr Energie noch in der Bewegung des
Hammers bleibt (weil der ja dann abrutscht), als wenn man auf
ein hartes Stück klopft, was dann alle Energie aufnehmen muss,
weil es sich nicht so stark verbiegt?
Wenn ein Teil weicher ist, gibt es leichter/mehr nach. D.h. der Geschwindigkeitsabbau des darauf aufschlagenden Hammers ist weniger abrupt, also niedrigere Beschleunigung/Abbbremsung. Die multipliziert mit der Masse des Hammers ergibt die größere oder kleinere Aufschlagkraft. Und je größer letztere ist, desto größer sind auch die Spannungen (Kraft pro Fläche). Und ein Werkstoff hat eine typische Obergrenze für ertragbare Spannungen.
Schon weisst du, warum bei -20°C die Kunststoffstoßfänger am Auto bei der leichtesten Karombolage wie Glas zersplittern.
Gruß
Karl
Wenn ein Teil weicher ist, gibt es leichter/mehr nach. D.h.
der Geschwindigkeitsabbau des darauf aufschlagenden Hammers
ist weniger abrupt, also niedrigere
Beschleunigung/Abbbremsung. Die multipliziert mit der Masse
des Hammers ergibt die größere oder kleinere Aufschlagkraft.
Und je größer letztere ist, desto größer sind auch die
Spannungen (Kraft pro Fläche). Und ein Werkstoff hat eine
typische Obergrenze für ertragbare Spannungen.
Aber wird die Spannung, die das Werkstück aushalten kann, nicht auch größer, wenn man die Temperatur senkt?
Wahrscheinlich nicht in dem Maße, wie die Kraft aufgrund des abrupteren Bremsens, ansteigt, oder?
Was passiert eigentlich auf Atomebene, dass der Werkstoff schneller zerbricht?
Ich meine, die Zugbelastung müsste doch von kaltem Plastik/Metall höher sein bei niedriger Temperatur, weil doch die Atome enger beieinander liegen und man deshalb länger und fester ziehen muss, bis er sich auseinander zieht.
Aber wahrscheinlich ist diese dichte Packung der Atome für die Aufnahme von Energie, also wenn man mit dem Hammer drauf haut, genau der springende Punkt, weil sich die eng gepackten Atome nicht mehr aneinander vorbeireiben können und deshalb alle Energie in Atombindungen gespeichert werden muss anstatt dass ein Teil der Energie in Wärme aufgrund von Reibung geht.
Stimmt das so?
Wenn ein Teil weicher ist, gibt es leichter/mehr nach. D.h.
der Geschwindigkeitsabbau des darauf aufschlagenden Hammers
ist weniger abrupt, also niedrigere
Beschleunigung/Abbbremsung. Die multipliziert mit der Masse
des Hammers ergibt die größere oder kleinere Aufschlagkraft.
Und je größer letztere ist, desto größer sind auch die
Spannungen (Kraft pro Fläche). Und ein Werkstoff hat eine
typische Obergrenze für ertragbare Spannungen.Aber wird die Spannung, die das Werkstück aushalten kann,
nicht auch größer, wenn man die Temperatur senkt?
Bei hohen Temperaturen fällt sie ab. Umkehrschluss: bei niedrigen steigt sie. Ob das auch bei extremer Abkühlung gilt, dazu kann ich nichts sagen. Außer das bekannte sprödere Verhalten.
Wahrscheinlich nicht in dem Maße, wie die Kraft aufgrund des
abrupteren Bremsens, ansteigt, oder?
So ist es.
Was passiert eigentlich auf Atomebene, dass der Werkstoff
schneller zerbricht?
Die Atomebene ist für die „normale“ technische Anwendung nicht von Interesse. Eher interessiert das die Grundlagenforscher.
Spielt für die Festigkeit nicht eher eine „höhere“ Ebene (zB Kristallausbildung) eine Rolle ? Bin kein ausgesprochener Werkstoffspezialist.
Gruß
Karl
Hallo,
weiß vielleicht jemand anders bescheid, was sich dabei auf atomarer Ebene abspielt?
Also ein sehr kaltes Werkstück gleichen Materials würde bei großer Kälte wohl mehr Zugbelastung aushalten als im warmen Zustand, aber weniger Querkräfte,
da sich die Energie, die man aufwendet, nicht alleine in Spannenergie umwandelt, sondern auch in plastische Verformung allerdings viel weniger als in warmem Zustand, da die Atome enger beieinander liegen und lange Verschiebungen deshalb nicht möglich sind.
Das heißt also, dass Atombindungen reißen und sich die Atome ineinander verkeilen, ohne aber durch Kräfte gebunden zu sein und so geht die meiste Energie in plastische Verformung anstatt in Federenergie.
Diese gerissenen Atombindung können bei einem Diamant sich nicht mehr von selbst reparieren. Dagegen sind doch Werkstücke, die aus Atomen/Molekülen aufgebaut sind, die durch zum Beispiel Van-der-Waals-Kräfte wechselwirken, in der Lage, wieder nach der Entspannung von selbst neue Verbindungen einzugehen und so auch nach plastischer Verformung noch stabil zu bleiben.
Stimmt das?
Also ein sehr kaltes Werkstück gleichen Materials würde bei
großer Kälte wohl mehr Zugbelastung aushalten als im warmen
Zustand, aber weniger Querkräfte,
So nicht ganz richtig Kräfte hält es im Gekühlten zustand in alle Richtungen mehr aus. Nur Energie kann es weniger aufnehmen.
da sich die Energie, die man aufwendet, nicht alleine in
Spannenergie umwandelt, sondern auch in plastische Verformung
allerdings viel weniger als in warmem Zustand, da die Atome
enger beieinander liegen und lange Verschiebungen deshalb
nicht möglich sind.
Das heißt also, dass Atombindungen reißen und sich die Atome
ineinander verkeilen, ohne aber durch Kräfte gebunden zu sein
und so geht die meiste Energie in plastische Verformung
anstatt in Federenergie.
Diese gerissenen Atombindung können bei einem Diamant sich
nicht mehr von selbst reparieren. Dagegen sind doch
Werkstücke, die aus Atomen/Molekülen aufgebaut sind, die durch
zum Beispiel Van-der-Waals-Kräfte wechselwirken, in der Lage,
wieder nach der Entspannung von selbst neue Verbindungen
einzugehen und so auch nach plastischer Verformung noch stabil
zu bleiben.Stimmt das?
Man muss Grundsätzlich zwischen den drei Werkstoffklassen Metal, Polymere und Keramik unterscheiden. Ich geh man davon aus das es sich nicht um Keramik handelt (diese ist i.a. auch warm Spröde)
Bei Metallen kommt die Verformbarkeit durch so genannte „Versetzungen“ das sind Atomare Halbebenen. Beim Umform Werden Atom eben gegen einander verschoben. Da es zu viel Energie bräuchte um eine Komplete Ebene zu verschieben geschieht das über Halbebenen die Senkrecht zu zur Verformungsrichtung liegen. An Fehler in der Struktur (Korngrenzen, Ausscheidungen) bleiben diese Versetzungen hängen, stauen sich auf, und behindern die Bewegung anderer Versetzungen (je mehr man verformt umso schwerer wird es weiter zu verformen). Wenn die Behinderung einen kritischen Wert erreicht hat könne zwei Dinge passieren 1. das Hindernis wird überwunden bzw. umgangen 2. Die Versetzungen sind so aufgestaut das sich innere Oberflächen (Risse) bilden. Sind diese Risse einmal Vorhanden kommt es zum Risswachstum und Bruch, das ganze kann je nach äußeren Einwirkungen in Bruchteilen einer Sekunde Passieren.
Bei tiefen Temperaturen liegt der kritische Wert um das Hindernis zu überwinden über dem für das Bildern neuer Oberflächen. Beim Überwinden des Hindernisses muss die Versetzung eine energetisch ungünstige Lage einnehmen, bei Höhern Temperaturen ist das Aufgrund der Atomschwingungen einfacher, die Umgebung läst sich leichter anpassen. Während bei tiefen Temperaturen die Struktur so starr ist das mehr Energie benötigt.
Aufgespaltete Bindungen „reparieren“ sich i.a. nicht von selbst.
Bei Metallen kann es, aufgrund dessen das sie mehr Bindungs-„Wolken“ als diskrete Verbindungen haben, zu so etwas kommen ist aber nur unter bestimmten Bedingungen möglich. Zb. Beim „Umklappen“ von Bindungen bei de Versetzungsbewegung
Bei Polymeren Basiert die Verformung grob auf Verdrehung der kovalenten Bindungen und ändern der Winkel. Es gibt dabei immer energetisch günstige und ungünstige Lage und die Spanne zwischen ihnen bestimmt wie einfach sich ein Polymer Umformen läst. Bei tiefen Temperaturen sind die Atomabstände kleiner und diese Spanne wird größer, dh. Man brauch mehr Energie um sie zu überwinden, daraus folge das es an Stellen günstiger sein kann die Bindung selbst zu trennen.
Zusätzlich kommt noch eine Behinderung hinzu aus der Abnahme vom „Leervolumen“ zwischen den Strängen. Die Verformung geschieht wie gesagt u.a. durch umklappen und Drehen von Bindungen. Das kann aber nur in diskretem Maß geschehen, und es ist notwendig das ein gewisser Freiraum ist in den sich Teil hinein bewegen können. Bei tiefen Temperaturen ist der Raum nun kleiner und müsste erst durch Energieaufwand geschaffen werden. Was wieder dazuführt das Trenne von Bindungen energetisch günstiger ist.