Plastische Verformung
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Plastische Verformung und die anschließende Rekristallisation sind zwei grundlegende physikalische Phänomene, die die Struktur und Eigenschaften von Metallen und deren Legierungen bestimmen. Diese Prozesse sind die Grundlage für viele Technologien, mit denen man plastische Werkstoffe in die gewünschte Form bringen kann. Beispiele hierfür sind das Walzen, Schmieden, Ziehen und Stanzen. Die Form von Metallbauteilen kann nicht nur verändert werden, sondern auch die Gestaltung ihrer Mikrostruktur auf kontrollierte und wiederholbare Weise ermöglicht wird.
Durch Spannungen, die die Elastizitätsgrenze überschreiten, kommt es zu einer bleibenden Verformung des Metalls, begleitet von erheblichen inneren Veränderungen – vor allem einer Zunahme der Versetzungsdichte, einer Kornzerkleinerung und einer Materialverfestigung. Diese Veränderungen sind zwar oft erwünscht, können jedoch zu einer Verschlechterung der Duktilität und der weiteren Bearbeitbarkeit führen.
Daher ist es in der industriellen Praxis von entscheidender Bedeutung, den Rekristallisationsprozess, d. h. die Wiederherstellung einer ausgeglichenen, gleichmäßigen Kornstruktur, durch Glühen geschickt zu steuern. Dies ermöglicht die Kombination von verfestigenden Effekten mit der Erhaltung der Plastizität, was zu einer längeren Lebensdauer und einer verbesserten Qualität der Endprodukte führt.
In den folgenden Abschnitten dieses Artikels werden wir die beiden Prozesse detailliert untersuchen. Dabei werden wir insbesondere darauf eingehen, wie sie sich in Abhängigkeit von Temperatur und technologischen Bedingungen unterscheiden und welche Bedeutung sie in der technischen Praxis haben.
Plastische Verformung – Definition und Mechanismus
Plastische Verformung ist eine dauerhafte Veränderung der Form eines Materials unter dem Einfluss äußerer Kräfte, die auch nach Wegfall der Kräfte bestehen bleibt. Im Gegensatz zur elastischen Verformung, die reversibel ist, bezeichnet Plastizität den Prozess des Überschreitens der Elastizitätsgrenze und den Beginn innerer Veränderungen in der Struktur des Metalls.
Der Verformungsmechanismus basiert auf der Bewegung von Versetzungen, d. h. linearen Defekten im Kristallgitter. Wenn Scherspannungen wirken, bewegen sich Versetzungen entlang bestimmter Gleitebenen. Das führt dazu, dass sich ganze Atomschichten relativ zueinander verschieben. Das Ergebnis ist eine dauerhafte Veränderung der Kristallgeometrie. Im Makrobereich manifestiert sich diese als Formänderung des gesamten Elements.
Während der Verformung nimmt die Dichte der Versetzungen zu, was zu einer Verfestigung des Materials führt. Je mehr Hindernisse der Bewegung der Versetzungen entgegenstehen, desto größer ist der Widerstand des Materials gegen weitere Verformung. Dieser Vorgang wird als Kaltverfestigung bezeichnet und bildet die Grundlage für die Verstärkung vieler Metalle ohne Schmelzen.
Schlussendlich konstituiert die plastische Verformung ein Phänomen, das nicht nur die geometrische Formgebung von Elementen ermöglicht, sondern auch die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen durch die Steuerung ihrer Mikrostruktur und ihres inneren Spannungszustands modifiziert.
Kalt- und Warmverformung
Die plastische Verformung von Metallen kann in zwei Temperaturbereichen durchgeführt werden: Kaltverformung oder Warmverformung. Diese Verfahren unterscheiden sich erheblich hinsichtlich des Verformungsmechanismus sowie der mikrostrukturellen und technologischen Auswirkungen.
Die Kaltverformung findet bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur statt, sodass das Metall seine Struktur während des Prozesses nicht regenerieren kann. Dies führt zu:
- einer raschen Zunahme der Versetzungsdichte
- einer Verfestigung des Materials (Festigkeitszunahme)
- und einer Abnahme der Plastizität und Duktilität
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Maßgenauigkeit und Oberflächenglätte. Gleichzeitig besteht seine Einschränkung in der Zunahme der inneren Spannungen und der Notwendigkeit einer Zwischenglühung bei höheren Verformungsgraden.
Die Warmverformung erfolgt bei Temperaturen über der Rekristallisationstemperatur, wodurch Verformung und Rekristallisation gleichzeitig stattfinden können. Das Material bleibt dann duktil und seine Struktur wird kontinuierlich regeneriert. Das Ergebnis:
- Die Duktilität nimmt ab (leichtere Formbarkeit),
- eine Kaltverfestigung wird vermieden,
- und es kann eine feinkörnige Mikrostruktur erzielt werden.
Dieses Verfahren eignet sich besonders für die intensive Formgebung großer Querschnitte, wie beispielsweise beim Blechwalzen oder beim Freiformschmieden. Es ist jedoch mit einem höheren Energieverbrauch und einer schwierigeren Maßkontrolle verbunden.
Die Entscheidung zwischen Kalt- und Warmverformung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die technologischen Anforderungen, die Art des Materials und die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Produkts. In der Industrie haben beide Ansätze ihre Berechtigung und werden oft ergänzend eingesetzt.
Der Einfluss der Verformung auf die Struktur und Eigenschaften von Metallen
Der Prozess der plastischen Verformung führt zu erheblichen Veränderungen in der inneren Struktur von Metallen, die sich direkt auf ihre mechanischen, technologischen und betrieblichen Eigenschaften auswirken.
Der bedeutendste Effekt ist eine Zunahme der Versetzungsdichte – während der Verformung nimmt die Anzahl der Defekte im Kristallgitter zu und bildet ein komplexes Netzwerk von Barrieren, die weitere Versetzungsbewegungen behindern. Dieses Phänomen führt zu einer Kaltverfestigung, d. h. einer Erhöhung der Zugfestigkeit und Härte des Materials, oft auf Kosten seiner Duktilität und Zähigkeit. Mit fortschreitender Verformung treten außerdem folgende Phänomene auf:
- Kornzerkleinerung und das Auftreten von Unterkornstrukturen,
- eine Zunahme der inneren Spannungen
- und eine Verringerung der Fähigkeit zur weiteren Verformung ohne Bruchgefahr
In der Struktur ist eine sogenannte verformte Struktur zu beobachten, bei der die Körner länglich werden und sich in Richtung der einwirkenden Kräfte ausrichten. Eine solche Umwandlung beeinflusst nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit des Metalls.
Für die Produktionstechnologien ist es entscheidend zu verstehen, dass jede Verformungsstufe das Material sowohl im Makrobereich (Formänderung) als auch im Mikrobereich (Änderung der Kristallstruktur) verändert. Daher sind Prozesse wie Rekristallisation, Weichglühen und Normalisieren für die weitere Bearbeitung und das Erreichen der gewünschten Materialparameter unverzichtbar.
Rekristallisation – Wiederherstellung der Struktur
Rekristallisation ist ein physikalischer Prozess, bei dem sich in einem zuvor plastisch verformten Metall neue, spannungsfreie und versetzungsfreie Kristallkörner bilden. Sie tritt typischerweise beim Rekristallisationsglühen auf, bei dem das Material auf eine ausreichend hohe Temperatur, jedoch unterhalb seines Schmelzpunktes, erhitzt wird, um die Gleichgewichts-Mikrostruktur wiederherzustellen.
Aufgrund intensiver plastischer Verformung (vor allem Kaltverformung) kommt es im Werkstoff zu einer Ansammlung von Netzwerkfehlern, hauptsächlich in Form von Versetzungen. Diese Fehler sind energetisch ungünstig. Sie neigen dazu, sich zu beseitigen. Das geht nach Zufuhr von Wärmeenergie. Bei der Rekristallisationstemperatur entstehen neue Körner, die sich auf Kosten der alten, verformten Strukturen entwickeln und zur Bildung einer feinkörnigen, ausgeglichenen Mikrostruktur führen. Der Rekristallisationsprozess:
- Reduziert die Versetzungsdichte
- stellt die Plastizität und Duktilität des Materials wieder her
- und verringert außerdem die Härte und Festigkeit durch Aufhebung des Kaltverfestigungseffekts
Die Temperatur, bei der die Rekristallisation stattfindet, hängt von mehreren Faktoren ab, vor allem vom Grad der vorherigen Verformung, der chemischen Reinheit des Materials und der ursprünglichen Korngröße. Bei den meisten Metallen liegt sie zwischen dem 0,3- und 0,5-fachen des Schmelzpunktes auf der absoluten Skala (Kelvin).
Technisch gesehen ist die Rekristallisation entscheidend für Prozesse wie das Zwischenwalzen, das Drahtziehen und die Herstellung von tiefgezogenen Blechen. Bei diesen Prozessen ist es nach jedem Arbeitsgang besonders wichtig, die richtigen plastischen Eigenschaften aufrechtzuerhalten. Nur so kann der gesamte Bearbeitungszyklus erfolgreich sein.
Die Verwendung der Rekristallisation in der Industrie
Die Rekristallisation wird in der metallverarbeitenden und verarbeitenden Industrie häufig eingesetzt, wo sie als Regenerationsstufe nach intensiver plastischer Verformung dient. Durch ihre kontrollierte Anwendung können die mechanischen Eigenschaften des Materials optimiert, die Lebensdauer der Werkzeuge verlängert und die Effizienz weiterer technologischer Arbeitsgänge gesteigert werden. Dieser Prozess ist unter anderem unverzichtbar bei:
- dem Walzen von Blechen und Bändern, wo nach jeder Verformungsstufe ein Rekristallisationsglühen erforderlich ist, um die Plastizität vor dem nächsten Durchgang durch die Walzen wiederherzustellen
- dem Ziehen von Drähten und Kabeln, wo eine übermäßige Verfestigung zu Brüchen führen kann
- Herstellung von Rohren, Profilen und Pressformteilen, die eine Kombination aus hoher Festigkeit und Formbarkeit erfordern
Darüber hinaus ermöglicht die Rekristallisation eine kontrollierte Mikrostruktur mit feinen, homogenen Körnern, was sich in einer verbesserten Schlagfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Oberflächenqualität niederschlägt. Dies ist besonders wichtig bei Werkstoffen für Bauteile mit hoher Zuverlässigkeit, z. B. in der Luftfahrt, Energietechnik oder der Automobilindustrie.
Manchmal wird die teilweise Rekristallisation bewusst eingesetzt, um einen Gradienten von Eigenschaften zu erzielen. Ein Beispiel dafür ist ein harter Kern und eine duktile Außenschicht. In anderen Prozessen, wie z. B. beim Weichglühen, Glühen und Rekristallisieren, wird sie hauptsächlich zur Erleichterung der weiteren Bearbeitung oder des Stanzens eingesetzt.
Durch bewusste Steuerung dieses Prozesses – durch geeignete Wahl von Temperatur, Glühzeit und Vorverformungsgrad – lässt sich das Material präzise an die technischen Anforderungen anpassen und die Vorteile der Verfestigung mit kontrollierter Duktilität kombinieren.
Plastische Verformung – Zusammenfassung
Plastische Verformung und Rekristallisation sind zwei eng miteinander verbundene Phänomene, die die Grundlage moderner Metallverarbeitungstechnologien bilden. Ihr Verständnis ermöglicht es Ingenieuren nicht nur, die Geometrie von Produkten zu gestalten, sondern vor allem ihre Struktur und mechanischen Eigenschaften zu kontrollieren.
Plastische Verformung, ob kalt oder warm, führt zu inneren Veränderungen im Material, darunter Verfestigung, Versetzungsverdichtung und Kornverlängerung, die sich direkt auf Festigkeit, Härte und Duktilität auswirken. Nur durch Rekristallisation kann jedoch die Gleichgewichtsstruktur wiederhergestellt und das Material in nachfolgenden Verarbeitungsschritten wiederverwendet werden.
In der industriellen Praxis ermöglicht die geschickte Steuerung dieser Prozesse die Optimierung der Fertigung, die Verlängerung der Werkzeugstandzeiten und die Verbesserung der Produktqualität, was sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit ganzer technischer Systeme auswirkt. Die Kenntnis von Verformungs- und Rekristallisationsmechanismen ist deshalb von entscheidender Bedeutung, da sie eine Verbindung zwischen Materialwissenschaft und praktischer Technik schafft. In technischen Anwendungen sind Präzision, Langlebigkeit und Qualitätskontrolle von großer Bedeutung.
