Bereich der Lüdersdehnung

Wird die Probe jedoch über den Hooke'schen Bereich hinaus gedehnt, so verformt sich die Probe bleibend. Die Verformung der Probe würde nach Wegnahme der Kraft nun nicht wieder vollständig zurückgehen. Es handelt sich folglich um einen plastischen Verformungsbereich. Das Einsetzen der plastischen Verformung ist im Spannungs-Dehnungs-Diagramm durch einen kurzen Spannungsabfall gekennzeichnet, an den sich ein kleiner Bereich mit nahezu gleichbleibender Spannung anschließt bevor diese dann wieder zunimmt (dieses Verhalten wird auch als Streckgrenzeneffekt bezeichnet). In diesem kurzen Bereich dehnt sich die Probe praktisch ohne dass hierfür eine merkliche Erhöhung der Spannung erforderlich wäre. 

Zugversuch, technisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm, Hookescher-Bereich, Lüders-Bereich, Gleichmaßdehnungs-Bereich, Einschnür-Bereich, Bruchgeometrieunabhängig

Abbildung: Typische Bereiche eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms mit ausgeprägter Streckgrenze 

Ursache für diesen Verlauf liegt in der Wechselwirkung zwischen Fremdatomansammlungen und Versetzungen begründet. Durch die eingezogenen Halbebenen der Versetzungen entstehen im Bereich der Versetzungslinie aufgeweitete Zonen (Dilatationszonen). In diesen energetisch günstigen Zonen lagern sich bevorzugt Fremdatome ab, deren Ansammlungen auch als Cottrell-Wolken bezeichnet werden. Diese Fremdatome verhindern zunächst durch ihre elektrostatischen Kräfte, dass sich die Versetzungen bewegen können. Dies wird auch als pinnen von Versetzungen bezeichnet.

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Abbildung: Cottrell-Wolke

Erst ab einer bestimmten Spannung können sich die Versetzungen von den Fremdatomen plötzlich losreißen und der plastische Verformungsprozess setzt ein. Haben sich die Versetzungen schließlich losgelöst, so müssen diese unter verringertem Kraftaufwand praktisch nur noch am Laufen gehalten werden. Dies geht mit einem verringerten Krafteinsatz einher und die Spannung fällt kurzzeitig ab, bis die Versetzungen auf erneute Hindernisse auflaufen und festgepinnt werden. Dies erklärt den kurzzeitigen Abfall und den weiteren zick-zack-förmigen Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Kurve innerhalb eines kleinen Spannungsbereichs. Erst wenn die Versetzungen durch das Material gewandert sind und nicht mehr von Cottrell-Wolken gepinnt werden, muss aufgrund der Kaltverfestigung die Spannung wieder erhöht werden, um eine weitere Dehnung zu erzielen. Der Bereich zwischen Einsetzen der plastischen Verformung und der Kaltverfestigung wird auch als Lüdersdehnung bezeichnet. 

Die im Bereich der Lüdersdehnung austretenden Versetzungen hinterlassen sichtbare Gleitstufen, die wie ein mattes, streifenförmiges Geflecht auf der glänzenden Oberfläche der Zugprobe erscheinen (meist unter 45° zur Zugachse). Diese hinterlassenen Fließfiguren werden auch als Lüdersbänder bezeichnet. In der Umformtechnik sind diese Fließfiguren unerwünscht. Die Lüdersdehnung entsteht nicht gleichmäßig bzw. gleichzeitig über die gesamte Zugprobe sondern wandert allmählich von oben nach unten oder umgekehrt. Dies ist während des Zugversuchs an den nacheinander entstehenden Lüdersbändern zu erkennen, die erst nach und nach die gesamte Zugprobe überdecken. Die Lüdersdehnung ist folglich eine inhomogene plastische Verformung.

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Abbildung: Lüdersbänder

Nachdem die Zugprobe einmal über den Bereich der Lüdersdehnung hinaus gestreckt wurde, tritt der Streckgrenzeneffekt bei einem zeitnahen Wiederholen des Zugversuchs nicht mehr auf. Schließlich haben sich die Versetzungen ja bereits von den Cottrell-Wolken gelöst und sind von vorne herein frei beweglich. Der elastische Verformungsbereich geht dann kontinuierlich in den plastischen Verformungsbereich über; ohne Lüdersdehnung und die damit verbundene Ausbildung von Fließfiguren (siehe Spannungs-Dehnungs-Kurve ohne ausgeprägte Streckgrenze). Aus diesem Grund werden Tiefziehbleche, die normalerweise einen Streckgrenzeneffekt aufweisen würden, im Vorfeld häufig durch Walzen plastisch verformt. Somit wird die Lüdersdehnung und damit die Ausbildung von Fließfiguren beim späteren Tiefziehen verhindert. Aufgrund von Diffusionsprozessen können sich jedoch mit der Zeit wieder Fremdatomansammlungen bilden, die zu Cottrell-Wolken führen - der Werkstoff altert. In diesem Fall tritt ein Streckgrenzeneffekt dann wieder auf.

Der Streckgrenzeneffekt tritt zudem nur bei relativ niedrigen Temperaturen auf. Bei hohen Temperaturen verschwindet dieser Effekt und die Spannung steigt kontinuierlich mit der Dehnung an. Ursache hierfür liegt in der Diffusionsfähigkeit der Fremdatome, welche bei höheren Temperaturen stark zunimmt. Denn ist die Diffusionsgeschwindigkeit deutlich größer als die Versetzungsbewegung, dann können sich im Vorfeld erst überhaupt keine Fremdatomansammlungen aufgrund der starken Teilchenbewegung bilden. Die Versetzungen müssen sich dann auch nicht mehr von den Cottrell-Wolken losreißen und sind von vorne herein frei beweglich.

Portevin–Le-Chatelier-Effekt, Streckgrenze, Diffusionsgeschwindigkeit, Versetzung

Abbildung: Portevin–Le-Chatelier-Effekt

Ein Sonderfall ergibt sich, wenn die Diffusionsgeschwindigkeit etwa gleich der Geschwindigkeit der Versetzungsbewegung ist. Dann müssen sich die Versetzungen zwar von den Cottrell-Wolken losreißen, werden aber wieder von den nachdiffundierenden Fremdatomansammlungen eingefangen, bevor sie anschließend wieder von diesen losgerissen werden müssen. Dies macht sich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm als ansteigender zick-zack-förmiger Verlauf bemerkbar. Ein solches Verhalten wird auch als Portevin–Le-Chatelier-Effekt bezeichnet.