Wenn ein Festkörper mechanischer Belastung ausgesetzt wird, hängt es von der Struktur des Festkörpers ab, ob er sich in verschiedene Formen verformt, ohne zu brechen oder nicht. Als verformbar gelten Materialien, die sich unter mechanischem Druck leicht verformen lassen, ohne zu brechen. Als duktil gelten Materialien, die sich unter Zugbeanspruchung leicht verformen lassen.
Definition von formbar
Das Wort formbar stammt aus dem mittelalterlichen Latein malleabilis, die selbst aus dem ursprünglichen Latein stammt Malleare, was "hämmern" bedeutet.
Verformbare Materialien können leicht verformt werden, ohne unter mechanischem Druck oder "Druckspannung" zu brechen. Da diese Materialien beim Verformen nicht brechen, können sie in verschiedene Formen oder dünn gepresst werden Blätter. Dies kann durch Hämmern, Pressen oder Walzen erfolgen.
Ein gängiges Beispiel für ein formbares Material ist Gold, das oft zu Blattgold für den Einsatz in Kunst, Architektur, Schmuck und sogar Lebensmitteln gepresst wird. Andere formbare Metalle sind Eisen, Kupfer, Aluminium, Silber und Blei sowie bei bestimmten Temperaturen das Übergangsmetall Zink. Viele Materialien, die sehr formbar sind, sind auch sehr duktil; Blei ist eine Ausnahme mit geringer Duktilität und hoher Formbarkeit.
Definition von Duktile
Eng verwandt mit dem Konzept der Formbarkeit ist die Duktilität. Während die Formbarkeit mit Druckspannung oder mechanischem Druck zu tun hat, bezieht sich die Duktilität auf Zugspannung oder mechanische Dehnung.
„duktil“ stammt vom lateinischen Wort duktilis, was soviel bedeutet wie „das kann geführt oder gezogen werden“.
Etwas, das duktil ist (manchmal auch als dehnbar bezeichnet), kann leicht gedehnt oder zu einem dünnen Draht gezogen werden. Duktiles Kupfer ist ein gutes Beispiel für Formbarkeit und Duktilität, da es zu Blechen gepresst und gewalzt sowie zu Drähten gestreckt werden kann.
Metalle werden oft als Legierungen gemischt, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Hochfester Stahl ist ein Beispiel für eine Legierung, die eine höhere Duktilität als alle ihre Metallkomponenten aufweist, und wird häufig in Flugzeugen, Autos und anderen technischen Anwendungen verwendet.
Wie sich Metalle verformen
Ionenschichten in einem Metall können sich bewegen und übereinander gleiten, ohne ihre metallischen Bindungen zu lösen; Dies ermöglicht es einem Metall, sich zu biegen oder zu dehnen, ohne zu brechen. Einige härtere Metalle haben jedoch keine klaren Schichten und haben stattdessen eine Kristallstruktur mit kleineren Atomeinheiten.
Diese Einheitsklumpen von Atomen, genannt Körner, haben Grenzen zwischen sich, die Korngrenzen genannt werden. Je mehr Korngrenzen pro Volumeneinheit ein Metall hat, desto weniger Formbarkeit oder Duktilität hat es. Das Metall wird stattdessen spröder und neigt dazu, entlang dieser Korngrenzen zu brechen.
Materialien sind formbarer und duktiler, wenn sie Versetzungen oder fehlende Ionen in der Schichtstruktur aufweisen. Diese Defekte können sich durch die Kristallstruktur des Metalls bewegen, wenn es sich verformt, und erhöht seine Fähigkeit, sich zu verformen, ohne zu brechen.
Wenn die meisten Metalle erhitzt werden, werden ihre Körner größer. Die Atome haben dann eine regelmäßigere Struktur und können leichter übereinander gleiten, ohne ihre Bindungen zu lösen. Dadurch können die Metalle leichter verformt werden. „Kaltverformung“ bewirkt das Gegenteil: Das Verformen des Metalls in der Kälte erzeugt mehr Korngrenzen, wodurch das Metall steif und spröde wird.
Interessanterweise zeigen sich auch einige Metalle Elastizität. Wenn ein Metall sehr wenig belastet wird, werden die Atome Start übereinander zu rollen. Aber dann, wenn die Spannung abgebaut wird, rollen die Atome in ihre ursprünglichen Positionen zurück. Größere Spannungen verändern die Position der Atome dauerhaft.