Verfestigung (Werkstoffkunde)

Spannungs-Dehnungs-Kurven
rot: ideal elastisch-plastisches Material (ohne Verfestigung)
blau: Material mit Verfestigung

Verfestigung ist ein Begriff aus der Werkstoffkunde und bezeichnet die Zunahme der mechanischen Festigkeit eines Werkstoffs durch plastische Verformung. Dabei erhöht sich die werkstoffeigene Zugfestigkeit, was dazu führt, dass das Werkstoffversagen (Bruch) erst bei höheren Spannungen eintritt.

Arten

Mischkristallverfestigung
Kaltverfestigung (Verfestigung durch Kaltverformung)
Verfestigung durch Korngrenzenhärtung
Verfestigung durch Ausscheidungshärtung

Auftreten

Insbesondere bei Metallen tritt Verfestigung auf, wenn sie, ggf. auch lokal, über die Elastizitätsgrenze hinaus plastisch verformt werden. Im Zugversuch macht sich das dadurch bemerkbar, dass die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze nicht horizontal, sondern ansteigend verläuft (siehe Grafik). Eine Verfestigung kann auch lokal durch High Frequency Impact Treatment, Kugelstrahlen, Festwalzen und andere mechanische Bearbeitungsverfahren erzeugt werden.

Entstehung

Die Verfestigung kommt dadurch zustande, dass bei der plastischen Verformung im Kristallgitter Versetzungen erzeugt und durch das Kristallgitter bewegt werden. Diese Versetzungen können sich an Gitterfehlern wie z.B. Korngrenzen aufstauen, so dass ihre Bewegung durch das Kristallgitter hindurch gehemmt wird. Infolgedessen steigt die Spannung, die für die weitere plastische Verformung notwendig ist, immer weiter. Wenn sich die Versetzungen im Kristallgitter nicht mehr bewegen können, kommt es zur Werkstofftrennung, zum Bruch.

Modelle

Um isotropes Verfestigen abzubilden werden üblicherweise entweder das Modell nach Swift oder nach Voce verwendet.

Swiftsche Verfestigung

Das verfestigungs Modell nach Swift beschreibt einen exponentiellen Anstieg der Fließspannung mit einem Exponenten n < 1:

$\sigma =C_{R}(\varepsilon _{0}+\varepsilon _{P})^{n}$

Voce Verfestigung

Die Verfestigung ist anfänglich am größten, nimmt jedoch schnell ab und erreicht eine Sättigung. Die mathematische Formulierung lautet:

$\sigma =\sigma _{0}+R(1-e^{-b\varepsilon _{P}})$

Literatur

Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (Hrsg.): Werkstoffkunde. 10., bearbeitete Auflage. Springer, Berlin u. a. 2008, ISBN 978-3-540-79296-3.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de