Verformung am Realkristall

Um einen Verformungsprozess in Gang zu setzen ist auf atomarer Ebene eine bestimmte kritische Schubspannung erforderlich. Wie im im vorherigen Abschnitt beschrieben liegen die theoretischen Werte für einen Idealkristall teilweise um den Fator 1000 höher als die in der Realität gemessenen Spannungen. Ursache für diese Diskrepanz sind bestimmte Gitterbaufehler, die in der Realität eine Gitterstruktur durchsetzen. Es handelt sich dabei um die Versetzungen, wobei im Folgenden ausschließlich auf die Stufenversetzung näher eingegangen werden soll.

Aufgrund von Versetzungen müssen beim Abgleiten einer Gitterebene nicht mehr alle Bindungen zwischen zwei Ebenen auf einmal aufgebrochen werden. Vielmehr genügt es nun immer nur eine Bindungsreihe zu überwinden. Die Versetzungslinie springt unter geringem Kraftaufwand schrittweise von Atomreihe zu Atomreihe und tritt am Ende schließlich als Gleitstufe aus dem Material aus. Der Verformungsprozess setzt aufgrund des energiearmen Wanderns der Versetzungen somit bei bereits viel geringeren kritischen Schubspannungen ein als dies die Theorie ohne die Berücksichtigung von Versetzungen vorhersagt! Diese kritische Schubspannung wird auch als Peierls-Nabarro-Spannung bezeichnet.

Stufen-Versetzung, Veranschaulichung, Verformung, Zug-, Druck-Spannung

Abbildung: Stufenversetzung

Video: Wandern einer Stufenversetzung

Das kraftarme Abgleiten der Atomebene durch eine Versetzung kann mit dem Verschieben eines Teppichs veranschaulicht werden. Einen großen und schweren Teppich in seinem Ganzen zu verschieben erfordert aufgrund der Reibung zwischen Teppich und Boden in der Regel eine sehr große Kraft. Werden in den Teppich allerdings Falten geschlagen und diese dann jeweils durch den Teppich hindurch bewegt, so kommt man wesentlich kraftsparender zum Ziel. Der Teppich kann sich praktisch wie eine Raupe schrittweise fortbewegen.

Video: Veranschaulichung der Versetzungsbwegung

Durch das Verständnis über den atomaren Mechanismus der Verformung und die zentrale Rolle der Versetzungen, können nun auch gezielt Maßnahmen ergriffen werden, um eine Verformung zu verhindern. Schließlich ist man bei vielen Konstruktionen daran interessiert, dass sich die verwendeten Werkstoffe selbst unter hohen Belastungen eben gerade nicht verformen. Sie sollten also hochfest sein. Wie solche Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung von Metallen aussehen können, soll im nächsten Abschnitt erläutert werden.