Belastbarkeit vs. Zähigkeit: Unterschied und Vergleich

Key Take Away

1. Materielle Reaktion auf Stress: In der Materialwissenschaft beziehen sich sowohl Belastbarkeit als auch Zähigkeit auf die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren. Unter Elastizität versteht man die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, wenn es elastisch (also nicht dauerhaft) verformt wird, und diese Energie bei Entladung wieder abzugeben. Zähigkeit hingegen ist die Gesamtmenge an Energie, die ein Material absorbieren kann, bevor es reißt, einschließlich elastischer und plastischer (d. h. dauerhafter) Verformung.
2. Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve: Elastizität wird durch die Fläche unter dem elastischen Teil (bis zur Streckgrenze) der Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Materials dargestellt und quantifiziert die Energie pro Volumeneinheit, die das Material absorbieren und erholen kann. Die Zähigkeit wird durch die Gesamtfläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve bis zum Bruchpunkt dargestellt und gibt die Fähigkeit des Materials an, Energie vor dem Versagen zu absorbieren.
3. Anwendungen und Materialeigenschaften: Beim Entwurf von Strukturen oder Produkten wird ein Material mit hoher Elastizität gewählt, wenn das Ziel darin besteht, die Verformung unter Belastung zu minimieren und sicherzustellen, dass das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehrt (wie bei Federn). Ein Material mit hoher Zähigkeit wird gewählt, wenn ein plötzliches Versagen aufgrund eines Risses oder einer Kerbe verhindert werden soll (z. B. bei Automobilkarosserien oder Schiffsrümpfen).

Was ist Resilienz?

Unter Elastizität versteht man die Eigenschaft eines Materials, Energie ohne bleibende Verformung zu speichern oder aufzunehmen. Die Einwirkung von Zug oder Druck zählt zu den mechanischen Eigenschaften der Materialien. 

Die Materialien mit hoher Rückstellkraft verformen sich innerhalb der Elastizitätsgrenze und nehmen wieder ihre ursprüngliche Form an. Beispiele für Materialien, die elastische Eigenschaften aufweisen, sind Gummi und bestimmte Legierungen.

Was ist Zähigkeit?

Zähigkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, ohne zu brechen. Es ist auch eine der mechanischen Eigenschaften, die die Materialien aufweisen. Sie wird anhand der Gesamtfläche gemessen, die unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve liegt. 

Das Materialverhalten in Bezug auf die Zähigkeit hängt damit zusammen, dass die Materialien vor dem Versagen eine plastische Verformung erfahren können. Die Formel für die Zähigkeit lautet wie folgt:
Zähigkeit = Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve

Unterschied zwischen Belastbarkeit und Zähigkeit

1. Der Begriff Resilienz ist definiert als die Eigenschaft eines Materials, Energie ohne bleibende Verformung zu speichern oder aufzunehmen. Gleichzeitig wird der Begriff Zähigkeit als die Fähigkeit eines Materials definiert, Energie zu absorbieren, ohne zu brechen.
2. Das Verhalten des elastischen Materials ist die elastische Verformung, bei der das Material wieder seine ursprüngliche Form annimmt. Im Gegensatz dazu ähnelt die Zähigkeit der Materialien einer plastischen Verformung, bei der das Material eine bleibende Verformung erfährt.
3. Die Belastbarkeit wird anhand der gesamten Fläche gemessen, die den elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve abdeckt. Im Gegensatz dazu wird die Zähigkeit eines Materials anhand der gesamten Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve gemessen.
4. Die Bedeutung der Elastizität eines Materials ist die Fähigkeit, Energie zu absorbieren und sich nach einer kleinen Verformung zu erholen. Im Vergleich dazu liegt die Bedeutung der Zähigkeit eines Materials in der Fähigkeit, große Verformungen oder Stöße abzuwehren. 
5. Die dreieckige Fläche der Spannungs-Dehnungs-Kurve unter dem elastischen Bereich stellt die Elastizität dar. Gleichzeitig wird die Zähigkeit durch die Gesamtfläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve dargestellt.
6. Das Materialverhalten bei Resilienz besteht darin, dass es mit Materialien verbunden ist, die hohe Elastizitätsmoduli (Steifigkeit) aufweisen. Im Vergleich dazu hängt das Materialverhalten in Bezug auf die Zähigkeit davon ab, dass die Materialien die Fähigkeit besitzen, sich vor dem Versagen plastisch zu verformen. 

Vergleich zwischen Belastbarkeit und Zähigkeit

Parameter des Vergleichs	Resilienz	Zähigkeit
Definition	Dabei handelt es sich um die Eigenschaft des Materials, Energie ohne bleibende Verformung zu speichern oder aufzunehmen	Es ist die Fähigkeit jedes Materials, Energie zu absorbieren, ohne zu brechen
Verhalten	Elastische Verformung	Plastische Verformung
Messen	Es handelt sich um die gesamte Fläche unter dem elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve	Es handelt sich um die gesamte Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve
Welche Bedeutung hatte der Wiener Kongress?	Es ist die Fähigkeit, Energie zu absorbieren und sich nach einer kleinen Verformung zu erholen	Es ist die Fähigkeit, große Verformungen oder Stöße abzuwehren
Vertretung	Ein dreieckiger Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve unter dem elastischen Bereich	Gesamtfläche, die unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve liegt
Materialverhalten	Verbunden mit Materialien mit hohem Elastizitätsmodul (Steifigkeit)	Dies hängt damit zusammen, dass die Materialien vor dem Versagen eine plastische Verformung erfahren können
Formel	Belastbarkeit = 0.5 × Dehnung bei Streckgrenze × Spannung bei Streckgrenze	Zähigkeit = Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve
Einheit	J / m3 oder J/g	J / m2 oder J / m3
Kritische Verwendung	Zur Stoßdämpfung und Belastbarkeit mit Elastizitätsgrenze	Materialien, die erhebliche Stöße oder plastische Verformungen aufweisen können

Literaturhinweise

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022391318303585