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Allgemeine Betrachtung der Formänderung
Formänderung bezieht sich auf die Änderung der Gestalt eines Materials unter dem Einfluss von äußeren Kräften. Im Kontext der Materialwissenschaft und Festkörpermechanik unterscheidet man typischerweise zwischen drei Arten von Formänderungen: elastisch, plastisch und viskoelastisch. Diese Unterscheidungen basieren auf dem Verhalten des Materials in Reaktion auf angewendete Spannungen.
1.
Elastische Formänderung: Bei der elastischen Deformation kehrt das Material nach Entlastung zu seiner ursprünglichen Form zurück. Diese Reversibilität ist auf die vorübergehende Verschiebung von Atomen aus ihren Gleichgewichtspositionen zurückzuführen, ohne dass dauerhafte Veränderungen im Material auftreten. Hooke'sches Gesetz (\(σ = Eε\), wobei \(σ\) die Spannung, \(E\) den Elastizitätsmodul und \(ε\) die Dehnung darstellt) beschreibt das Verhalten elastischer Materialien innerhalb ihres Elastizitätsbereiches.
2.
Plastische Formänderung: Plastische Deformation bezeichnet die dauerhafte Veränderung der Form eines Materials, die auch nach Entfernung der äußeren Kraft bestehen bleibt. Diese Art der Deformation ist typisch für Materialien, die über ihre Elastizitätsgrenze hinaus belastet werden. Auf molekularer Ebene ist die plastische Verformung mit dem Gleiten von Atomebenen übereinander verbunden, was zu einer dauerhaften Umordnung der atomaren Struktur führt.
3.
Viskoelastische Formänderung: Viskoelastische Deformation umfasst Eigenschaften sowohl der elastischen als auch der plastischen Deformation und zeigt zeitabhängiges Verhalten. Materialien mit viskoelastischen Eigenschaften können sich unter anhaltender Belastung verformen (Kriechen) und erholen sich zeitabhängig nach Entlastung. Viskoelastizität ist typisch für Polymere, bei denen sowohl zeitabhängige elastische (speichernde) als auch viskose (dissipative) Mechanismen beteiligt sind.
Molekulare Ebene der Formänderung
Auf molekularer Ebene wird das Verhalten von Materialien unter Last durch die Bindungen und die Struktur der Atome bzw. Moleküle bestimmt.
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Elastische Formänderung: Elastisches Verhalten wird durch die temporäre Dehnung oder Kompression der atomaren oder molekularen Bindungen verursacht, ohne dass diese Bindungen brechen oder sich die Struktur dauerhaft ändert. Die Atome oder Moleküle kehren zu ihren Ausgangspositionen zurück, sobald die Last entfernt wird.
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Plastische Formänderung: Plastizität auf molekularer Ebene involviert die dauerhafte Verschiebung von Atomen oder Molekülen relativ zueinander. Dies kann durch das Gleiten von kristallographischen Ebenen in Metallen oder das Brechen und Neubilden von Bindungen in polymeren Materialien auftreten. Die Umordnung führt zu einer dauerhaften Änderung der Materialstruktur.
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Viskoelastische Formänderung: Bei viskoelastischen Materialien spielen sowohl elastische Rückstellkräfte als auch viskose Fließbewegungen eine Rolle auf molekularer Ebene. Elastisches Verhalten resultiert aus der vorübergehenden Deformation der Bindungen, während viskoses Verhalten mit der Bewegung von Kettenmolekülen in Polymeren oder anderen langkettigen Strukturen verbunden ist. Zeitabhängige Phänomene wie Relaxation (Spannungsabbau über die Zeit) oder Kriechen (Zunahme der Dehnung unter konstanter Last) spiegeln die dynamischen Prozesse auf molekularer Ebene wider.
Zusammenfassend basieren die Formänderungsarten auf dem jeweiligen Materialverhalten unter Belastungen und den damit verbundenen atomaren oder molekularen Mechanismen. Die Unterscheidung zwischen elastischen, plastischen und viskoelastischen Deformationen ermöglicht ein tieferes Verständnis des Materialverhaltens für Anwendungen in der Technik und Wissenschaft.
