Plastizität (Physik)

Die Plastizität oder plastische Verformbarkeit beschreibt die Fähigkeit von Stoffen, sich unter einer Krafteinwirkung nach Überschreiten einer Fließgrenze irreversibel zu verformen (zu fließen) und diese Form nach der Einwirkung beizubehalten. Unterhalb der Fließgrenze treten keine oder nur elastische Deformationen auf.^[1]

Im Gegensatz dazu würde ein elastischer Stoff seine ursprüngliche Form wieder einnehmen und ein spröder Stoff mit sofortigem Versagen reagieren – man spricht von Sprödbruch, der z. B. bei Keramiken und kubisch-raumzentrierte Metallen bei tiefen Temperaturen auftritt. Fließt ein Stoff unter Krafteinwirkung sofort, nicht erst nach Überschreiten einer Fließgrenze, so spricht man von viskosem Verhalten. Bei realen Materialien treten diese Effekte aber praktisch immer gemeinsam auf.

Plastizität kann in Duktilität (engl. ductility) und Schmiedbarkeit (engl. malleability) unterteilt werden. Dabei beschreibt ersteres das plastische Verhalten unter einer wirkenden Zugspannung (Tension) im Unterschied zu Druckspannung (Kompression). Duktilität wird aber auch synonym zu Plastizität gebraucht, womit diese Begriffe nicht immer eindeutig voneinander abgegrenzt werden können. ^[2]

Materialverhalten und seine Beschreibung

St.-Venant-Element

Ein ideal plastischer Körper verhält sich, solange die einwirkende Spannung $ \sigma $ unterhalb der Fließgrenze $ \sigma _{F} $ bleibt, wie ein starrer, nicht deformierbarer Festkörper. Erreicht $ \sigma $ den Wert $ \sigma _{F} $, beginnt er sich irreversibel und unbegrenzt zu verformen.

Dieses Verhalten kann durch ein St.-Venant-Element, einem Reibklotz, der sich auch erst nach Überschreiten einer Haftreibungskraft in Bewegung setzt, modelliert werden.

Ideal plastisches Verhalten tritt so in der Natur aber praktisch nicht auf, sondern stets gemeinsam mit elastischen oder viskosen Effekten. Ein Beispiel für Elastoplastizität ist Stahl im Zugversuch, während die Bingham-Fluide viskoplastisches Verhalten aufweisen, also Stoffe darstellen, die sich unterhalb einer Fließgrenze wie ein Festkörper verhalten, darüber wie eine Flüssigkeit.

Ein Modell zur mathematischen Beschreibung der Plastizität stammt von Eugene C. Bingham. Dieses wird vor allem bei Finite-Elemente-Berechnungen der Viskoplastizität von Materialien wie Ziegelrohmassen verwendet.^[3] In der Kontinuumsmechanik befasst sich die Plastizitätstheorie mit der irreversiblen Umformung von Materie.

Ursachen

Das plastische Verformungsverhalten hängt unter anderem vom Spannungszustand, der Temperatur, der Belastungsart und der Belastungsgeschwindigkeit ab. So kennt man neben der herkömmlichen Plastizität auch die Hochtemperaturplastizität, Kriechverformung und Superplastizität.

Mikroskopisch wird die plastische Verformung von kristallinen Festkörpern (Metallen) anhand der Versetzungstheorie beschrieben. Aus energetischen Gründen ist es günstiger, einzelne Defekte (Versetzungen) durch den Festkörper zu treiben, anstatt sämtliche Atomreihen gleichzeitig zu bewegen. Gemeinhin wird hier der Vergleich zu einem großen, langen Teppich herangezogen, den man um ein Stück bewegen will. Es würde enorm viel Kraft kosten, den ganzen Teppich auf einmal zu ziehen – stattdessen kann man eine kleine Falte mühelos durchschieben. (Siehe auch Festigkeit)

Technische Bedeutung

Die Plastizität bestimmt die Duktilität und Umformbarkeit eines Werkstoffes.

Beispiele

Hohe Plastizität:

• Knete
• feuchter Ton
• Metalle und Metalllegierungen mit geeignetem Atomgitter:
  • glühender Stahl beim Schmieden
  • Kaltumformung von Blechen beim Treiben
  • einen dünnen Metalldraht kann man in jede beliebige Form biegen
• typische Bingham-Fluide wie Zahnpasta, Mayonnaise oder Butter kann man schon mit geringem Druck auf die Tube oder mit dem Messer erweichen und zum Fließen bringen.
• Bei sehr hohem Druck wird Eis plastisch und kann als Gletscher fließen.
• Bei noch höheren Drücken wird Halit (Steinsalz) ebenfalls plastisch und kann Salzstöcke und sogar Salzgletscher bilden.

Geringe Plastizität:

• Ein Gummiband ist sehr elastisch und kehrt daher nach Lastrücknahme zu seiner ursprünglichen Form zurück.
• Keramiken brechen meist spröde ohne plastische Verformung.

Siehe auch

• Kaltverformung
• Rheopexie
• Thixotropie

Literatur

• E. C. Bingham, Fluidity and Plasticity. McGraw-Hill, New York 1922
• A. H. Cottrell, Dislocations and Plastic Flow in Crystals. Clarendon Press, 1953
• W. F. Hosford, The mechanics of crystals and textured polycrystals. Oxford University Press, 1993
• Gustav E. R. Schulze, Metallphysik - ein Lehrbuch. Akademie-Verlag, Berlin 1967

Einzelnachweise