M6 Elastizität und sprödes Verhalten

Thema

Das elastische Verhalten dieses Glases unter Belastung folgt vom Zeitpunkt der Belastung bis zum Bruch linear dem Hookeschen Gesetz, ohne plastische Zwischenphase. Im Gegensatz zu polykristallinen Strukturen, in denen Korngrenzen zusätzliche Verformungsmechanismen hervorrufen können, verhält sich dieses Glas, dem Korngrenzen gänzlich fehlen, bis zum Bruch kontinuierlich gemäß dem Hookeschen Gesetz. Das Fehlen von Korngrenzen anstelle der granularen Mikrostruktur polykristalliner Strukturen bedeutet, dass sein elastisches Verhalten selbst in Bruchnähe nicht von diesem linearen Hookeschen Gesetz abweicht.

Da dieses Glas bis zum Bruch gemäß dem Hookeschen Gesetz reagiert, wird die gesamte während der elastischen Verformung absorbierte Energie als elastische Energie gespeichert, ohne dass sie durch plastische Verformung dissipiert wird. Diese elastische Energie wird im Bruchmoment schlagartig freigesetzt und treibt die Rissausbreitung an. Die Tatsache, dass dieses Glas bei gleicher Verformung vor dem Bruch mehr elastische Energie speichert, bedeutet, dass es im Bruchmoment mehr Energie freisetzt, die für die Rissausbreitung zur Verfügung steht. Die gleiche elastische Steifigkeit des Glases, die bereits durch das Hookesche Gesetz beschrieben wurde, lässt sich experimentell aus der Schallgeschwindigkeit im Material selbst bestimmen: Ein Ultraschallimpuls, der das Glas durchdringt, breitet sich mit einer Geschwindigkeit aus, die direkt von seinem Elastizitätsmodul und seiner Dichte abhängt. Die Messung dieser Schallgeschwindigkeit ermöglicht daher die Berechnung des Elastizitätsmoduls, ohne das Glas zerstörenden Prüfungen zu unterziehen. Da die im Glas gemessene Schallgeschwindigkeit höher ist, ist bei gleicher Dichte auch der daraus berechnete Elastizitätsmodul höher.

Dieses Modell mit seinem elastischen Verhalten und dem Hookeschen Gesetz ist daher formal identisch mit einem anderen Modell aus einer anderen Reihe. Dieses Modell beschreibt das spröde-elastische Verhalten einer Keramik nach demselben Hookeschen Gesetz und derselben elastischen Energie. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Keramikmodell den Beitrag der Korngrenzen berücksichtigen muss, die diesem Glas fehlen. Die Tatsache, dass diese Ultraschallmethode den Elastizitätsmodul dieses Glases aus einer indirekten und leicht messbaren Größe bestimmt, ohne dass zerstörende Prüfungen erforderlich sind, bedeutet, dass sie die gleiche Logik der indirekten Charakterisierung mit zwei anderen Modellen in diesem Satz teilt: dem Modell, das die Glasübergangstemperatur aus der Steigung einer Dilatationskurve bestimmt, und dem Modell, das die Viskosität dieses Glases aus der Verformungsrate einer Probe unter konstanter Last bestimmt.

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