Welche Materialien mit bekannten Eigenschaften haben die beste Bruchzähigkeit?

Einführung

Die Bruchzähigkeit ist ein Wert, der die Energie angibt, die von einem Material absorbiert werden kann, bevor es bricht. Wissenschaftler und Ingenieure verlassen sich bei der Auswahl von Materialien für Brücken, Flugzeuge und Alltagsgegenstände auf diese Zahl. Lassen Sie uns in einfachen Worten über verschiedene Kategorien von Werkstoffen sprechen und darüber, wie sie auf die Ansammlung von Spannungen reagieren.

Metalle und Legierungen: Meister der Zähigkeit

Metalle werden seit langem dort eingesetzt, wo eine extrem hohe Bruchzähigkeiterforderlich ist. Sie weisen in der Regel ein sehr gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Verformbarkeit auf.

- Martensitaushärtender Stahl: Er weist eine Bruchzähigkeit von 100-200 MPa√mauf. Er ist sehr duktil mit hoher Festigkeit und wird für Hochleistungsteile und Strukturkomponenten verwendet.

- Hochzähe Stähle: Diese Stähle bieten etwa 80-150 MPa√m. Diese Stähle sind bei sorgfältiger Kontrolle des Gefüges rissbeständig und werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf Zuverlässigkeit ankommt.

- Titanlegierungen (Titan-6Aluminium-4Vanadium): Mit Werten von 55-110 MPa√msind diese Legierungen wegen ihres geringen Gewichts und ihrer Korrosionsbeständigkeit weit verbreitet. Sie werden in großem Umfang im Flugzeugbau und in medizinischen Geräten verwendet.

- Metallische Gläser: Diese haben etwa 80-100 MPa√m. Aufgrund ihres amorphen Charakters weisen sie eine örtlich begrenzte Scherverformung auf, was zu ihrer ungewöhnlichen Mischung aus Festigkeit und Zähigkeit führt.

Metalle weisen die beste Bruchzähigkeit auf, weil sich ihre Atome unter Belastung neu anordnen können. Durch diese Umordnung werden Risse abgestumpft und die Energie vor einem katastrophalen Versagen verzerrt.

Keramiken: Das härteste unter den spröden Materialien

Keramiken sind für ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen bekannt. Dennoch sind sie nicht so bruchfest wie Metalle. Die Ingenieure haben unermüdlich daran gearbeitet, die Zähigkeit von Keramik zu erhöhen.

- Yttria-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (Y-TZP): Es hat eine Bruchzähigkeit von 10-15 MPa√m. Es wird durch Umwandlung zäh gemacht, wobei eine minimale Veränderung der Kristallstruktur es widerstandsfähiger gegen Risswachstum macht.

- Zirkoniumdioxid-gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA): Mit Werten von etwa 7-10 MPa√mstellt ZTA eine Verbesserung gegenüber reinem Aluminiumoxid dar und vereint die Vorteile von Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid.

Einfache Keramiken wie Siliziumkarbid, reines Aluminiumoxid und sogar Diamant weisen höhere Zähigkeitswerte auf. Transformationszähigkeit, Mikrorissüberbrückung und der Einbau von Partikeln aus der zweiten Phase, die das Risswachstum verlangsamen oder stoppen, sind hier die wichtigsten Zähigkeitsmethoden.

Verbundwerkstoffe: Gerichtetes Zähigkeitsverhalten

Verbundwerkstoffe vereinen zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe in einem. Dadurch können Eigenschaften wie die Bruchzähigkeit auf bestimmte Anforderungen übertragen werden.

- Kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe: Diese besitzen Bruchzähigkeitswerte um 20-40 MPa√min Faserrichtung. Ihre Festigkeit und Leichtigkeit sind der Grund für ihre Verwendung in der Luft- und Raumfahrt und in Hochleistungssportgeräten.

- Aramid-Verbundwerkstoffe und glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe: Sie haben eine Bruchfestigkeit von etwa 10-20 MPa√m. Sie werden wegen ihres günstigen Verhältnisses zwischen Zähigkeit und Kosten für Kraftfahrzeuge und Schutzausrüstungen verwendet.

- Hybride Verbundwerkstoffe: Durch die Nutzung der verschiedenen Fasern bieten hybride Verbundwerkstoffe eine maßgeschneiderte Zähigkeit. Hybride Verbundwerkstoffe nutzen die besten Eigenschaften der einzelnen Materialien.

Zu den Mechanismen, durch die diese Verbundwerkstoffe resistent gegen Risswachstum werden, gehören Faserauszug, Überbrückung und Rissablenkung. Diese Mechanismen verlangsamen den fortschreitenden Riss, während er sich durch das Material bewegt, und verbessern so die Zähigkeit insgesamt.

Hochwertige/fortgeschrittene Werkstoffe

Hochentwickelte Werkstoffe sind nicht alle durch die üblichen Trends bei der Zähigkeit charakterisiert.

- Diamant: Aufgrund seiner Härte hat Diamant eine recht niedrige Bruchzähigkeit von etwa 5 MPa√m. Das bedeutet, dass er unter bestimmten Bedingungen zerspringt oder bricht, obwohl er an der Oberfläche sehr hart ist.

- Nanostrukturierte Keramiken und Verbundwerkstoffe: Diese werden experimentell getestet, um festzustellen, ob sie zäh gemacht werden können. Die feine Struktur kann Risswege verschließen.

- Mit Graphen verstärkte Metalle oder metallische Nanokomposite: Die Forschung in beiden Bereichen wird wahrscheinlich Früchte tragen. Diese Materialien der nächsten Generation kombinieren Metalle mit nanoskaligen Eigenschaften oder Graphen. Erste Anzeichen deuten auf außergewöhnliche Zähigkeit und Festigkeit hin.

Hochleistungswerkstoffe setzen weiterhin höhere Maßstäbe für die Bruchzähigkeit. Ihre Entwicklung könnte in Zukunft zu sichereren, effizienteren Konstruktionen führen.

Schlussfolgerung

Werkstoffe mit hoher Bruchzähigkeit stehen im Mittelpunkt einer großen Zahl von technischen Anwendungen. Metalle und Legierungen sind führend in der Zähigkeit, da sie sich bei Belastung leicht verformen und die Rissspitzen vor ihrer Ausdehnung abschwächen. Keramiken, obwohl traditionell spröde, verbessern derzeit ihre Zähigkeit durch Zähigkeitsmechanismen, Verbundwerkstoffe bieten eine gerichtete Zähigkeit und fortschrittliche Werkstoffe sind vielversprechend am Horizont. Jede Gruppe hat ihre Vorzüge und Nachteile. Weitere Vergleiche und eine Materialliste finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was wird mit der Bruchzähigkeit gemessen?

F: Sie ist ein Maß dafür, wie viel Energie ein Material aushalten kann, bevor es reißt.

F: Warum werden Metalle für Anwendungen mit hoher Zähigkeit verwendet?

F: Metalle haben die Fähigkeit, sich an der Rissspitze zu verformen und so das Risswachstum zu verhindern.

F: Können Keramiken in Umgebungen mit hoher Belastung eingesetzt werden?

F: Ja, allerdings verwenden sie Mechanismen wie die Umwandlungszähigkeit, um die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.