Bevor eine Erläuterung der reversiblen bzw. elastischen Verformung folgt, soll in einigen wenigen Sätzen auf die Auslöser für reversible Verformungen eingegangen werden:
Merke
Wird ein Körper mechanisch beansprucht, so treten im Körper Reaktionskräfte auf, die im Gleichgewicht mit den äußeren Kräften stehen. Diese flächenbezogenen Reaktionskräfte bezeichnet man als Spannung. Tritt eine Spannung auf, gilt es zunächst zu klären, um welche Art von Spannung es sich handelt. Eine Spannung, die senkrecht zur Fläche wirkt, bezeichnet man als Normalspannung $ \sigma $. Wirkt die Spannung hingegen in der Fläche, so ist dies eine Schubspannung $ \tau $.
Normalspannungen können als Zugspannungen eine Verlängerung oder als Druckspannungen eine Verkürzung des Körpers bewirken.
Schubspannungen führen hingegen zu einem Abscheren um den Winkel $ \gamma $.
Zur mathematischen Beschreibung von Spannungen nutzt man die folgenden Gleichungen:
$ \sigma = \epsilon \, E $ für Normalspannungen und
$ \tau = \gamma \, G $ für Schubspannungen.
Hierbei steht $ \gamma $ für den bereits beschriebenen Abscheerungswinkel, $ E $ für das Elastizitätsmodul, $ \epsilon $ für die Querkontraktionszahl bei Querschnittsminderungen durch Zugspannungen und $ G $ für das Schubmodul.
Das elastische Verhalten eines Baustoffs lässt sich durch ein mittleres Elastizitäts- und Gleitmodul beschreiben. Dennoch muss beachtet werden, dass einzelne Kristallite unterschiedliche elastische Verhalten in der Beanspruchungsrichtung aufweisen. Es muss zudem beachtet werden, dass durch die elastische Verformung ein Ausgleich erfolgen muss, welcher sich in einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung im mikroskopischen Bereich niederschlägt.
Die elastische Verformung eines Körpers ist nichts anderes als eine kurzzeitige Entfernung zweier Bausteine aus ihrer Ruhelage. Je Größer der Abstand zwischen diesen wird, umso größer wird auch die Kraft, welche versucht, die Atome wieder in die vorherige Gleichgewichtslage zurückzubringen.
Bei duktilen, d. h. gut dehn- und verformbaren, Baustoffen ist die elastische Verformung zudem der Vorläufer der bleibenden Verformung. Bei spröden Baustoffen wie Keramiken oder Glas ist hingegen nur eine elastische Verformung von weniger als 1 % möglich. Anders verhält sich dies bei Hochpolymeren, welche aufgrund ungeordneter Struktur und lockereren Bindungen eine gute elastische Verformbarkeit aufweist.
Einen Werkstoff mit idealelastischem Verhalten kennzeichnet, dass nach dem Hookeschen Gesetz jedem Spannungswert auch ein Dehnungswert zugeordnet werden kann, unabhängig von der Belastungsdauer. Dies beschreibt jedoch nur den Idealfall, wohingegen beim Realfall immer eine elastische Nachwirkung auftritt. Unter einer elastischen Nachwirkung versteht man eine zeitabhängige Verformung, die sich erst nach entsprechender Dauer komplett zurückbildet.
- Ausgangssituation
- Verformung
- Rückläufige Verformung
- Endzustand = Ausgangszustand
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Elastische, reversible Formänderung
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