Zähigkeit

Dieser Artikel beschreibt die Zähigkeit als Materialeigenschaft; für die mikrobiologische Bedeutung siehe Tenazität.

Zähigkeit oder Tenazität beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Bruch oder Rissausbreitung.^[1] Bei Fluiden spricht man dagegen anstelle von Zähigkeit von der (dynamischen) Viskosität.

Die Zähigkeit steht mit der Energieaufnahme bei plastischer Verformung im Zusammenhang, was anhand des Last-Verformungs-Diagramms sichtbar gemacht werden kann. Allerdings kann aus diesem nicht direkt eine Definition des Begriffs der Zähigkeit abgeleitet werden, da zur Quantifizierung neben der Bruchnennspannung auch die Kenngrößen Bruchverformung, Brucharbeitsaufnahme und Rissstoppvermögen zur Beurteilung der Zähigkeit herangezogen werden.^[1]^[2] Damit können neben verbesserten Brucheigenschaften alternativ auch Rissablenkung oder Rissverzweigung zur Zähigkeitssteigerung führen.

Typische Beispiele für zähe Werkstoffe sind die meisten Metalle. Das Gegenteil der Zähigkeit ist die Sprödigkeit.^[3] Beispiele für spröde Werkstoffe sind Glas, Keramik, einige Kunststoffe und gehärteter Stahl. Diese Materialien sind nur sehr begrenzt in der Lage, sich plastisch zu verformen und können somit wesentlich weniger Energie aufnehmen als zähe Werkstoffe, bevor sie brechen.

Temperaturabhängigkeit

Einige Werkstoffe (insbesondere Kunststoffe sowie Baustahl und alle anderen kubisch raumzentrierten Werkstoffe) zeigen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit ihrer Zähigkeit. Der Übergang zwischen zäher „Hochlage“ und spröder „Tieflage“ wird durch die Übergangstemperatur $T_{\ddot {U}}$ beschrieben.^[4] Die Einsatztemperatur sollte stets oberhalb $T_{\ddot {U}}$ liegen. Bevor dieser Effekt bekannt war, sind immer wieder Schiffe (z.B. die Liberty-Frachter während des Zweiten Weltkriegs) bei ruhiger See, aber niedrigen Temperaturen ohne ersichtlichen Grund spröde auseinandergebrochen.^[2]

Messmethoden

Die Kenngrößen der Zähigkeit werden mit Hilfe von unterschiedlichen Testverfahren oder Methoden der Bruchmechanik bestimmt. So werden die Bruchnennspannung und die Brucharbeitsaufnahme durch den Kerbschlagbiegeversuch, Kerbzugversuch, Durchstoßversuch oder Zugversuch, die Bruchverformung mit dem Biege- oder Faltversuch bzw. dem Kerbschlagbiegeversuch ermittelt. Das Rissstoppvermögen wird durch den Kerbschlagbiegeversuch oder Fallgewichtsversuch bestimmt.^[1]

Zähigkeitsklassen

Tenazität von Mineralien

In der Mineralogie ist die Tenazität (Zähigkeit) einer Mineraloberfläche ein mit der Stahlnadel geprüfter Härtegrad:

Bei sprödem (fragilem) Mineral springt der Ritzstaub von der Oberfläche weg. Der Großteil der Minerale gehören in diese Kategorie.
Bei mildem (tendilem) Mineral springt das Ritzpulver nicht weg, sondern bleibt am Rand der Ritzspur liegen. Bsp.: Bleiglanz, Antimonit
Bei schneidbarem (sektilem) Mineral erzeugt die eindringende Nadel eine Ritzspur, aber kein Ritzpulver. Bsp: Talk, gediegener Wismut

Die Tenazität des gesamten Minerals wird durch Verbiegen getestet:

Spröde Minerale zerbrechen.
Geschmeidige (duktil/malleabel) Mineralien ändern dauerhaft ihre Form. Die Formänderung erfolgt plastisch, d.h. ohne zu zerbrechen; z.B. kann ein Mineral zu einem Plättchen gehämmert oder zu einem Draht gezogen werden. Bsp.: viele Metalle (Silber, Gold, Kupfer etc.), Argentit.
Unelastisch-biegsame (flexibel) Minerale unterscheiden sich von den duktilen Mineralen dadurch, dass der Kristall nur gebogen werden kann. Hämmern oder Ziehen würde zum Zerbrechen führen. Sie bleiben nach dem Biegen ebenfalls in der neuen Form. Bsp.: Gips.
Elastisch-biegsame (elastic) Mineralien kehren dagegen nach dem Verbiegen wieder ihre ursprüngliche Form zurück. Bsp.: Biotit, Hellglimmer, Biotit-Glimmer

^[5]

Zähigkeit von Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern werden nach sieben Graden ihrer Reißfestigkeit klassifiziert:

HT: hochfest (High Tenacity)
IM: intermediate (Intermediate Modulus)
HM: hochsteif (High Modulus)
UM: (Ultra Modulus)
UHM: (Ultra High Modulus)
UMS: (Ultra Modulus Strength)
HMS: hochsteif/hochfest

Siehe auch

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 Lothar Issler, Hans Ruoß, Peter Häfele: Festigkeitslehre - Grundlagen. Springer, 2003, ISBN 978-3540407058 (Seite 311 in der Google Buchsuche).
↑ ^2,0 ^2,1 Hermann Dietrich: Mechanische Werkstoffprüfung: Grundlagen, Prüfmethoden, Anwendungen. Expert, 1994, ISBN 978-3816910350 (Seite 140 in der Google Buchsuche). Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „buch“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
↑ Manfred Riehle, Elke Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik. Wiley-VCH, 2000, ISBN 978-3527309535 (Seite 103 in der Google Buchsuche).
↑ Gunter Erhard: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser, 2008, ISBN 978-3446416468 (Seite 125 in der Google Buchsuche).
↑ Bestimmungskriterien von Mineralen-Tenazität, www.cms.fu-berlin.de

[Festigkeitslehre-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Lothar Issler, Hans Ruoß, Peter Häfele: Festigkeitslehre - Grundlagen. Springer, 2003, ISBN 978-3540407058 (Seite 311 in der Google Buchsuche).

[buch-2] 2,0 ^2,1 Hermann Dietrich: Mechanische Werkstoffprüfung: Grundlagen, Prüfmethoden, Anwendungen. Expert, 1994, ISBN 978-3816910350 (Seite 140 in der Google Buchsuche). Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „buch“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.

[Werkstofftechnik-3] Manfred Riehle, Elke Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik. Wiley-VCH, 2000, ISBN 978-3527309535 (Seite 103 in der Google Buchsuche).

[Erhard-4] Gunter Erhard: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser, 2008, ISBN 978-3446416468 (Seite 125 in der Google Buchsuche).

[5] Bestimmungskriterien von Mineralen-Tenazität, www.cms.fu-berlin.de

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