Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 109 2

Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost ist seit 1996 Professor für Werkstoffkunde und Fes-

tigkeitslehre an der Hochschule Pforzheim.

Von 1984 bis 1991 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberingenieur

am Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum tätig. Danach war er Ab-teilungsleiter bei der DEKRA AG, Stuttgart sowie stellv. Geschäftsführer der

DEKRA-ETS, Saarbrücken und Leiter der dortigen Materialprüfanstalt. Neben

der Tätigkeit als Professor an der Hochschule ist er Mitglied im DIN-

Arbeitsausschuss "Implantatwerkstoffe“.

Er ist Autor von bisher ca. 100 Fachpublikationen. Seine Arbeitsschwerpunkte

sind Legierungen mit Formgedächtnis sowie metallische Hochleistungswerk-

stoffe.

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Inhaltsverzeichnis

1  Globale Definition der Festigkeit  

2  Einfluss der Bindungsart und der Bindungsenergie auf die Festigkeit  

3  Die Härtungsmechanismen  

4  Möglichkeiten der Festigkeitsoptimierung  

Zusammenfassung   

Festigkeit  wird ganz allgemein definiert als der Widerstand eines festen Stoffes  

gegen  plastische Verformung und den Widerstand gegen die Ausbreitung von  

Rissen.  Ein Maß für den Widerstand gegen plastische Verformung stellen die  

elastischen  Konstanten dar. Diese können aus der Krümmung der Bindungs-  

energiekurve  abgeleitet werden. Die vier Bindungsarten unterscheiden sich  

aufgrund  der Bindungskräfte und damit auch der Bindungsenergien. Damit ist  

ebenfalls  ein entsprechender Einfluss auf die Festigkeit von Werkstoffen gege-  

ben.  Um in modernen Werkstoffen hohe und höchste Festigkeiten zu erreichen,  

wird  das Gefüge der Werkstoffe durch spezielle Behandlungen gezielt verän-  

dert.  Das Ziel ist hierbei die Erzeugung von Hindernissen für die bei einer plas-  

tischen  Verformung stattfindende Versetzungsbewegung (Härtungsmechanis-  

men)  Für einen hochfesten Werkstoff müssen diese Hindernisse in möglichst  

feiner  Dispersion und großer Menge enthalten sein. Durch eine sinnvolle Kom-  

bination  der Härtungsmechanismen kann eine weitere Optimierung der mecha-  

nischen  Eigenschaften eines Werkstoffes erreicht werden  

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1 Globale Definition der Festigkeit

Der Begriff „Festigkeit“ hat insbesondere für werkstoffkundliche Zusammenhänge auf den ersten Blick sehr vielfältige Bedeutungen. So gibt es beispielsweise die verschiedensten mechanischen Festigkeiten, wie Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und Zeitstandfestigkeit oder Festigkeitsbegriffe wie Korrossionsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit. Diese Vielfalt lässt zunächst vermuten, dass eine einheitliche Beschreibung oder Definition der Festigkeit von Werkstoffen nur sehr schwer bzw. höchst eingeschränkt möglich ist. Die werkstoffkundliche Praxis hat jedoch eine sehr gute und vor allem für alle möglichen Ansätze passende Definition entwickelt. So wird die Festigkeit (werkstoff-kundlich) in allgemeinster Form durch die folgenden drei „Widerstände“, die der Werkstoff gegen eine aufgebrachte Beanspruchung aufzubringen vermag, definiert (Bild 1):

• Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen

• Widerstand gegen Verschleiß

Bild 1

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Dies sind technische Forderungen, die nur durch verschiedene, sich zum Teil widersprechende physikalische Eigenschaften zu erfüllen sind. Erst wenn alle Forderungen gemeinsam erfüllt sind zeigt der Werkstoff „Festigkeit“.

Der Sinn einer solchen Festlegung wird klar, wenn man überlegt, dass in einem spröden, keramischen Werkstoff zwar der Widerstand gegen plastische Verformung sehr hoch ist, sich aber Risse, gerade weil keine plastische Verformung an der Rissspitze möglich ist, leicht ausbreiten können. Entsprechend ist in einem Werkstoff wie z.B. reinem Kupfer oder reinem Eisen der Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen sehr hoch, doch zeigt dieser Werkstoff kaum einen Widerstand gegen plastische Verformung oder auch Verschleiß. Er hat eine viel zu niedrige Streckgrenze um i.d.R. als Konstruktionswerkstoff nützlich zu sein.

Man sieht also, dass es sich bei dem Begriff der Festigkeit nicht um eine einheitliche Kenngröße, sondern vielmehr um einen Sammelbegriff, der eine ganze Reihe von (mechanischen) Eigenschaften einschließt, handelt. Es hängt dabei von der Art des Werkstoffes, als auch von der Art der Beanspruchung und der Umgebung ab, welche Eigenschaft für die Kennzeichnung der Festigkeit von vorherrschender Bedeutung ist.

2 Einfluss der Bindungsart und der Bindungsenergie

auf die Festigkeit

Die Definition der drei Werkstoffgruppen (Metalle, Keramiken, Polymere) basiert auf der Natur der Bindung der beteiligten Atome und der Werkstoffgefüge. Die Bindungskräfte, durch welche Atome oder Moleküle zueinander gezogen werden, sind Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzten Ladungen. Die Bindungskraft ist umso stärker, je kleiner der Atomabstand r und je größer die Zahl der an der Bindung beteiligten Elektronen n ist. Bild 2a zeigt die Abhängigkeit der Bindungskraft vom Kernabstand.