Adiabatisches Scherband

In Physik , Mechanik und Ingenieurwesen ist die adiabatische Scherzone einer der vielen Versagensmechanismen , die in Metallen und anderen Werkstoffen auftreten, die bei Prozessen wie Umformung, Zerspanung und ballistischem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit verformt werden . ^{[ 1 ]} Adiabatische Scherzonen sind in der Regel sehr schmale Bereiche mit einer Breite von typischerweise 5–500 μm und bestehen aus stark geschertem Material. Adiabatisch ist ein thermodynamischer Begriff und bedeutet, dass kein Wärmeaustausch stattfindet – die erzeugte Wärme verbleibt in der Zone, in der sie entsteht. (Das gegenteilige Extrem, bei dem die gesamte erzeugte Wärme abgeführt wird, ist isotherm .)

Um den Zusammenhang zwischen der erzeugten Wärme und der geleisteten plastischen Arbeit zu verstehen , ist es notwendig, einige Grundlagen der plastischen Verformung zu betrachten . Führt man einen Druckversuch an einer zylindrischen Probe bis beispielsweise zur Hälfte ihrer ursprünglichen Höhe durch, so steigt die Spannung im Werkstoff in der Regel mit der Reduzierung deutlich an. Dies wird als Kaltverfestigung bezeichnet. Während der Kaltverfestigung kommt es zu Veränderungen der Mikrostruktur, Verzerrungen des Korngefüges sowie zur Entstehung und Bewegung von Versetzungen . Der verbleibende Anteil der geleisteten plastischen Arbeit – der bis zu 90 % der Gesamtarbeit ausmachen kann – wird als Wärme abgeführt.

Wird die plastische Verformung unter dynamischen Bedingungen, wie beispielsweise beim Gesenkschmieden, durchgeführt , so konzentriert sich die Verformung mit steigender Geschwindigkeit des Schmiedehammers stärker . Dies bedeutet auch, dass sich das verformte Material mit zunehmender Geschwindigkeit des Gesenkhammers stärker erhitzt. Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand des Metalls gegen weitere plastische Verformung ab. Daraus ergibt sich ein Kaskadeneffekt: Je mehr plastische Verformung das Metall aufnimmt, desto mehr Wärme wird erzeugt, wodurch sich das Metall leichter weiter verformen lässt. Dies ist ein katastrophaler Effekt, der fast zwangsläufig zum Versagen führt.

Henri Tresca führte im Juni 1878 als Erster ein dokumentiertes experimentelles Programm zur Untersuchung der Wärmeentwicklung bei plastischer Verformung durch ^{[ 2 ].} Tresca schmiedete einen Platinbarren (sowie viele andere Metalle). Zum Zeitpunkt des Schmiedens war das Metall gerade unter die Rotglut abgekühlt. Der anschließende Schlag des Dampfhammers, der eine Vertiefung im Barren hinterließ und ihn verlängerte, erhitzte ihn entlang zweier Linien in Form eines X erneut. Diese erneute Erhitzung war so stark, dass das Metall entlang dieser Linien für einige Sekunden wieder vollständig rotglühend wurde. Tresca führte zahlreiche Schmiedeversuche mit verschiedenen Metallen durch. Aus einer großen Anzahl von Versuchen schätzte er den Anteil der in Wärme umgewandelten plastischen Verformungsarbeit ab, der stets über 70 % lag.

Wolfram- Schwermetalllegierungen (WHA) zeichnen sich durch hohe Dichte, Festigkeit und Zähigkeit aus und eignen sich daher gut für Anwendungen mit kinetischen Penetratoren . Im Vergleich zu abgereichertem Uran , einem weiteren häufig verwendeten Material für kinetische Penetratoren, weisen WHA eine deutlich geringere Bildung von adiabatischen Scherbändern auf. ^{[ 3 ]} Bei ballistischem Aufprall bewirkt die Bildung von Scherbändern einen „Selbstschärfungseffekt“, der die Penetration durch Minimierung der Oberfläche an der Vorderkante des Projektils begünstigt. ^{[ 4 ]} Um die Leistung zu verbessern, sollte daher auch die durchschnittliche Breite der Scherbänder minimiert werden.

Es wurde vermutet, dass die Bildung adiabatischer Scherbänder in Wolfram-Aluminium-Legierungen (WHA) durch Spannungskonzentrationen begünstigt werden kann. ^{[ 5 ]} Untersuchungen an Proben mit unterschiedlichen Geometrien ergaben, dass zylindrische Proben ohne geometrische Spannungskonzentrationen am wenigsten zur Scherbandbildung neigen. Scherbänder bilden sich bevorzugt an diesen Initiierungspunkten und breiten sich entlang der Richtung der größten Scherspannung aus. Verschiedene WHA-Verarbeitungsverfahren wurden untersucht, um die Neigung zur Scherbandbildung zu erhöhen. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Durch Warmumformung und/oder Warmtorsion lassen sich die Wolframkörner im Mikrogefüge verlängern. Bei hoher Verformungsgeschwindigkeit parallel zur Richtung der Kornverlängerung bilden sich leicht adiabatische Scherbänder, die sich entlang der Ni-Fe-Matrixphase ausbreiten. Da die Fließspannung der Matrix deutlich niedriger ist als die von Wolfram, bietet die Texturierung des Mikrogefüges einen leichteren Weg für die Ausbreitung der Scherbänder.

Im Jahr 2019 wurde ein neuartiges WHA (Whole Hot Agens) hergestellt, bei dem die herkömmliche Ni-Fe-Matrixphase durch eine Legierungsmatrix mit hoher Entropie ersetzt wurde . ^{[ 9 ]} Es wurde festgestellt, dass dieses System leicht zur Bildung adiabatischer Scherbänder führt. ^{[ 10 ]} Die Matrixphase enthält Nanopräzipitate, die die Härte der Matrix erhöhen . Es wird angenommen, dass sich diese Präzipitate bei steigender Temperatur auflösen, was zu einer Erweichung der Matrix entlang der Scherzone führt und somit die Barriere für die Scherbandausbreitung verringert.