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Baustofftechnik 1 - plastische und viskose Verformung

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Baustofftechnik 1

plastische und viskose Verformung

Wird eine bestimmte Belastungsgrenze eines Baustoffes überschritten, kommt es im Anschluss der reversiblen Verformung zur bleibenden Formänderungen, da sich die Atome in ihrer räumlichen Anordnung immer weiter voneinander entfernen und in Folge eines Gleitens Teile des Kristalls als Gleitpakete sprunghaft um viele Atomabstände verschoben werden. Wird ein gewisser Schwellenwert überschritten, so ist die Schubspannung groß genug, um die elastische Rückstellkraft zu überwinden. 
Tritt die irreversible Verformung erst nach Überschreiten des Schwellenwertes auf, so spricht man von einer plastischen Verformung, ohne Schwellenwert ist hingegen von einer viskosen Verformung die Rede. Im folgenden werden beide irreversiblen Verformungen vorgestellt:

Plastische Verformung

Kristalline Baustoffe können plastisch verformt werden, da sie die Fähigkeit besitzen ihre Realstruktur zu verändern. Dies geschieht hauptsächlich durch die Bewegung von Versetzungen. Die Plastizität ist eine besonders wichtige Eigenschaft, durch die es erst ermöglicht wird Fertigungsverfahren wie Walzen, Ziehen und Schmieden zur Formgebung anzuwenden. Im Bauingenieurwesen ist dies jedoch nicht erwünscht.

Hinweis

Hier klicken zum AusklappenExkurs Fahrzeugbau:
Nicht zuletzt ist die Plastizität in der Fahrzeugherstellung ein wichtiges Sicherheitskriterium, da gerade bei Fahrzeugunfällen oft große mechanische Belastungen auftreten, die durch eine plastische Verformung teilweise oder gänzlich abgebaut werden können. 

Abgleitung

Der Vorgang der plastischen Verformung erfolgt im wesentlichen durch eine Abgleitung von Atomschichten längs bestimmter Gitternetzebenen gegeneinander infolge von Schubspannungen. An den Oberflächen von belasteten Baustoffen entstehen Gleitstufen, die bei polierten Baustoffproben als Gleitlinien oder Gleitbänder sichtbar werden. 

Abgleiten (Ablaufschema)
Abgleiten (Ablaufschema)

Zwillingsbildung

Neben dem Abgleiten existiert eine weitere Folgeerscheinung der plastischen Verformung, die Zwillingsbildung. Hier bewirken Schubspannungen eine Umklappung bestimmter Gitterbereiche, woraus sich eine spiegelbildliche Anordnung der Gitterbereiche ergibt. Die erreichbaren Verformungen sind jedoch weit geringer als vergleichsweise bei der Abgleitung. 

Zwillingsbildung unter Schubspannung
Zwillingsbildung unter Schubspannung

Viskose Verformung

Die viskose Verformung tritt besonders bei amorphen Baustoffen auf. Das viskose Fließen ist ein Vorgang, der eine kooperative Bewegung von Molekülen darstellt. Die Geschwindigkeit in der diese Verformung stattfindet, ist immer von dem Viskositätskoeffizienten und somit auch von der Temperatur abhängig. Der Umbau der Gitterbausteine findet hier durch voneinander unabhängige Diffusionsvorgänge statt.

Während dieser Vorgänge dienen Groß- und Kleinwinkelkorngrenzen als Leerstellenquellen und -senken, wodurch ein Gradient der Leerstellenkonzentration entsteht, welcher einen Diffusionsfluss von Leerstellen oder Atomen in entgegengesetzte Richtung auslöst.

Als Folge tritt eine Änderung der Form an den Grenze der Gefügebestandteile auf. Somit ist das viskose Fließen ein Vorgang, der sich selber so koordiniert, dass der Zusammenhalt an den Korngrenzen nicht gestört wird. Der Materialfluss erfolgt von Druckspannungsgebieten hin zu Zugspannungsgebieten. 

Irreversible Verformung (Ablaufschema)
Irreversible Verformung (Ablaufschema)
  1. Ausgangszustand
  2. Verformung
  3. Rückläufige Verformung
  4. Endzustand $\not= $ Ausgangszustand