Harte Schneidlage durch weiche Aussenlage(n) wirklich biegsamer?

[Klaus0]

Hallo,

ich hätte da mal eine Frage, die mich schon länger beschäftigt:
Man liest ja immer wieder davon, dass bei Klingen das Laminieren eines sehr harten Stahls mit weicheren Aussenschichten die Klinge flexibler machen, als eine, die nur aus diesem harten Stahl besteht.
Wie kann das funktionieren? Dass der weichere Stahl an der Aussenfläche nicht so leicht brechen kann, ist klar. Aber der Harte Stahl in der Mitte bleibt doch so brüchig wie er ist, oder?
Ist es so , dass wenn man die Klinge zu starken seitlichen Belastungen aussetzt, zwar nicht die ganze Klinge bricht, aber die Schneidlage im Inneren schon? Also eine zerbrochene Schneidlage im verbogenen Mantel?
Oder verstehe ich da etwas komplett falsch? Ist das etwa nur ein Werbegag, und der weiche Stahl wird eigentlich nur zur Kostenersparnis verwendet?
Würde mich freuen, wenn mir hier jemand zu Klarheit verhelfen könnte!

Schonmal Danke, und

Grüße,
Klaus0

 

[herbert]

Die übliche Antwort: teils teils.

Je dünner eine Klinge ist, umso weiter kann sie gebogen werden,bevor sie sich plastisch verformt und schließlich bricht.Beispiel: der eigentlich spröde Glasfaden läßt sich wickeln, wird die Dicke größer, geht das nicht mehr.

Alles ist hier elastisch. Es handelt sich nicht um Verformung, sondern um Verschiebung. Elastisch halt.

Will man eine Mindestdicke der Klinge aus Stabilitätsgründen beibehalten, so nimmt man eine dünne Schneidlage und "dicke Backen". Die Vorteile liegen auf der Hand. Zwar läßt sich eine unendlich dünne Faser prima biegen und wickeln, aber der Kraftaufwand wird kleiner, und man braucht ja eine gewisse Klingenstabilität. Und"weich" ist relativ. Die Aussenlagen sind immerhin Stahl und auch recht stabil.

Die Stabilität bei Biegung wird neben der Festigkeit wesentlich von der Dicke bestimmt, und zwar mit der dritten Potenz. Macht man eine Klinge doppelt so dick, bietet sie 8mal mehr Biegewiderstand.

Drum gelten ja manche Messer als unzerstörbar. Die Dicke machts.

 

[AchimW]

Noch als Ergänzung hierzu:

Ist es so , dass wenn man die Klinge zu starken seitlichen Belastungen aussetzt, zwar nicht die ganze Klinge bricht, aber die Schneidlage im Inneren schon? Also eine zerbrochene Schneidlage im verbogenen Mantel?

Auch das kann vorkommen, wenn die Innenlage über die Maßen strapaziert wird. Das ist aber eher selten.

Zudem kann man im Notfall mit einer zerbrochenen Innenlage im intakten, wieder geradegebogenen Außenmantel noch eine Menge mehr anfangen als mit einer komplett durchgebrochenen Klinge. Im Prinzip verliert solch ein Messer kaum an Funktionalität.

 

[Manni]

Au ja, das ist eine interessante Frage, die Klaus0 da gestellt hat. Auch die Antwort war ebenso erstaunlich wie plausibel. Nur, wie dünn ist dünn (für die Schneidlage meine ich)? Ich hatte mal ein Cold-Steel-Master-Tanto in Sandwich-Bauweise. Man konnte die Schneidlage recht gut erkennen, da sie nicht verschweißt sondern hart verlötet war. Die war für meine Begriffe recht dick, ca. 3 mm. Dadurch ergab sich eine Spitze aus hartem Stahl von ca. 6 oder 7 mm länge (alle Werte aus dem Gedächtnis). Diese Spitze wird nicht von weichen, elastischen Backen unterstützt. Bricht diese Spitze ab, weil sie ja hart ist, ist das Messer, das ja vorrangig eine Waffe ist, schon arg gehandicapt. Anders wäre es, wenn die Schneidlage nach Herberts Antwort, dünner wäre, sagen wir, 1 mm. Dann würde nur ein guter mm als unverstärkte Spitze rausschauen und wenn die abbricht, wärs nicht sooo schlimm.
Ich stell mir nur schwer vor, eine so dünne Lage genau in die Mitte zu kriegen, bzw. nach dem Endschliff in der Mitte zu haben.
Manni

 

[AchimW]

Manni, versuch mal eine 6 mm lange Spitze aus 3 mm dickem, gehärtetem Werkzeugstahl abzubrechen. Das ist selbst bei extremen Belastungen nahezu aussichtslos.

Die dünne Lage in die Mitte zu bekommen ist hingegen nur eine Frage der eingesetzten Technik. Walzt man beispielsweise das Ausgangsmaterial, dann ist das kein Problem.

 

[Klaus0]

Wie Manni schon sagt: sehr plausibel. Vielen Dank!

 

[sanjuro]

Harte Schneidlage durch weiche Außenlage wirklich biegsamer?

....Man liest ja immer wieder davon, dass bei Klingen das Laminieren eines sehr harten Stahls mit weicheren Außenschichten die Klinge flexibler machen als eine, die nur aus diesem harten Stahl besteht.
Wie kann das funktionieren? Dass der weichere Stahl an der Außenfläche nicht so leicht brechen kann, ist klar. Aber der harte Stahl in der Mitte bleibt doch so brüchig wie er ist, oder?......

Da gibt es dann auch noch das System der aktiveren (außen) und der weniger aktiven Fasern (innen). Beim Biegen werden diese unterschiedlich belastet; es gibt eine Zug- und eine Druckseite. Je dünner die Lagen, desto geringer die auftretenden Kräfte. In der Mitte einer Sandwich-Konstruktion treten die geringsten Kräfte (inaktive Fasern) auf, während die elastischen Außenlagen die höheren Belastungen besser wegstecken können.

Gruß

sanjuro

 

[Klaus0]

AW: Harte Schneidlage durch weiche Außenlage wirklich biegsamer?

Da gibt es dann auch noch das System der aktiveren (außen) und der weniger aktiven Fasern (innen). Beim Biegen werden diese unterschiedlich belastet; es gibt eine Zug- und eine Druckseite. Je dünner die Lagen, desto geringer die auftretenden Kräfte. In der Mitte einer Sandwich-Konstruktion treten die geringsten Kräfte (inaktive Fasern) auf, während die elastischen Außenlagen die höheren Belastungen besser wegstecken können.

Nur zum Verständnis:

Wieso treten in der Mitte einer Sandwich-Konstruktion die geringsten Kräfte auf? Müsste es nicht so sein, dass die Druckeite (die Seite, die im Kurvenradius innen liegt?) einer höheren Belastung ausgesetzt ist, als die Zugseite? Weil größerer Radius außen => weniger Biegung?

Demnach müsste die Schneidlage in der Mitte bei einer Biegung dann also stets zwar weniger belastet werden als die Druckseite, aber stärker als die Zugseite, und somit nie der maximalen Belastung ausgesetzt sein.

So stell ich mir das vor, kenne mich in der Physik und Metallurgie aber nicht so gut aus. Deshalb lasse ich mich gern aufklären.

Danke und Grüße,
Klaus0

 

[xian]

Salut, ein interessantes Thema!

Ich verstehe da auch so einiges nicht! Einerseits würde ich nun davon ausgehen, dass:
die harte ''dünne'' Schneidlage durch den Dreilagenaufbau nicht mehr auf Biegung beansprucht werden kann, als es der Fall wäre, wenn es die Aussenlagen nicht geben würde. Aber dennoch eben mehr Biegung ''abkann'' wie wenn es ein Monostahl Aufbau wäre, der dementsprechend dicker sein müsste um eine Klinge gleicher Stärke darzustellen (klar). So habe ich zumindest Sanjuros Ausführungen verstanden.

Andererseits denke ich gerade an den ''Trick'' mit der Zigarette:
Eine Zigarette kann man nicht um 90° biegen, ohne dass sie bricht, wickelt man nun aber etwas Alufolie um den Glimmstengel, dann macht die Zigarette dieses Spielchen problemlos mit ohne zu brechen. Das Prinzip müsste doch vergleichbar sein, oder bin ich total auf dem Holzweg?

Kann die harte Schneidlage nun mehr Biegebeanspruchung ab, wenn sie einen flexiblen Partner hat, oder erreicht sie als Solist gleiche Werte?

 

[Erka]

Wieso treten in der Mitte einer Sandwich-Konstruktion die geringsten Kräfte auf? Müsste es nicht so sein, dass die Druckseite (die Seite, die im Kurvenradius innen liegt?) einer höheren Belastung ausgesetzt ist, als die Zugseite? Weil größerer Radius außen => weniger Biegung?

Es geht weniger um die Biegung an sich, sondern um die damit verbundene Längenänderung. Die Außenseite / Zugseite wird gedehnt (größerer Radius), die Innenseite (Druckseite) wird gestaucht (kleinerer Radius) und genau in der Mitte des Querschnitts / der Klinge bleibt die Länge beim Biegen unverändert (= neutrale Faser).
Jetzt klarer?

...Einerseits würde ich nun davon ausgehen, dass:
die harte ''dünne'' Schneidlage durch den Dreilagenaufbau nicht mehr auf Biegung beansprucht werden kann, als es der Fall wäre, wenn es die Aussenlagen nicht geben würde.

Genau, die Beanspruchung der Schneidlage durch die Biegung ist unabhängig davon, ob es Außenlagen gibt oder nicht.

Aber dennoch eben mehr Biegung ''abkann'' wie wenn es ein Monostahl Aufbau wäre, der dementsprechend dicker sein müsste um eine Klinge gleicher Stärke darzustellen (klar).

Nein, die Schneidlage kann dadurch auch nicht stärker gebogen werden, aber die Außenlagen setzen der Biegung einen höheren Widerstand entgegen.
Der Unterschied zum Monostahlmesser mit hoher Härte über den ganzen Querschnitt es eben der, dass die weicheren Außenlagen stärker verformt werden können, ohne dass es zum Bruch kommt.

Kann die harte Schneidlage nun mehr Biegebeanspruchung ab, wenn sie einen flexiblen Partner hat, oder erreicht sie als Solist gleiche Werte?

Ich bin mit nicht sicher ob die Frage richtig verstehe, aber die mögliche Biegebeanspruchung (Verformung) der Schneidlage ist unabhängig von den Außenlagen - aber die für eine bestimmte Biegung erforderliche Kraft wird durch die Außenlagen höher, das Messer wird steifer.

Den Zigarettentrick kenne ich nicht und kanns mir im Moment schwer vorstellen dass das funktioniert. Wenn dann könnte ich mir vorstellen dass durch die Aluhülle eine gleichmäßigere Biegung erreicht und das Knicken an einer Stelle verhindert wird.

Grüße
Rainer

 

[U. Gerfin]

Es stimmt schon !
Herbert hat zurecht darauf hingewiesen, daß mit der Verdoppelung der Dicke der Biegewiderstand sich verachtfacht.
Es leuchtet auch wohl jedem ein, daß beim Biegen einer Klinge auf der konvexen Seite Zugspannungen auf das Material wirken, auf der konkaven Seite aber Druckspannungen. Diese Spannungen wirken auf das Material, das sich auf den Außenseiten befindet, stärker als auf das in der Mitte.
Beim Biegen eines dicken Stücks geraten die Außenseiten in einen Zustand, den das Material nicht mehr erträgt, und es kommt zum Bruch.
Ein dünnes Band, etwa wie von einer Rasierklinge, kann dagegen auch bei höchster Härte zu einem Kreis mit recht kleinem Radius aufgewickelt werden, ohne daß es bricht.
Wenn wir uns nun ein solch dünnes Band exakt in der Mitte einer Dreilagenklinge vorstellen und diese dann biegen, wirken auf das dünne Band exakt die Kräfte ein, die einwirken würden, wenn es nicht abgedeckt wäre. Beim Bogenbau würde man sagen, es liegt in der ruhenden Faser. Die Biegebelastbarkeit der gesamten Klinge liegt also so gut wie allein beim weichen und zähen Mantel. Solange der nicht überlastet wird, hält auch der harte Kern.
Die Gesetzmäßigkeiten schwächen sich in der Praxis ein wenig ab, weil Dreilagenklingen in der Regel eben nicht aus einem Hauch Schneidlage und einem dicken, weichen Mantel bestehen. Das Prinzip gilt aber grundsätzlich weiter.
Legt man aber eine dicke, harte Kernlage zusätzlich zwischen weiche Deckschichten, so verträgt sie grundsätzlich nicht viel mehr Biegung, als wenn man sie nackt gelassen hätte. Ein günstiger Einfluß macht sich aber auch hier bemerkbar: Die weiche Außenlage verteilt die Beanspruchung gleichmäßiger und wirkt der Rißausbreitung entgegen.
Zur Verdeutlichung kann auch hier ein Bild aus dem Bogenbau helfen:
Ein zu 99 % ausgereizter Bogen wird recht schnell brechen, mit einer aufgeklebten Rohlederhaut ist er dagegen recht sicher.
MfG U. Gerfin

 

[Klaus0]

Super, jetzt ist (vorerst) alles klar ! Schön so kompetente Antworten von Fachleuten zu erhalten!

 

[xian]

Salut,
die Sache mit der Zigarette funktioniert, das kann man mir einfach mal glauben! Dass durch die Ummantelung eine gleichmäßigere Biegung entsteht ist denke ich eine recht logische Erklärung, kann mir das vorstellen, der Vergleich war ja auch etwas abwegig.
Für mich ist nun auch alles recht logisch dargestellt worden.
Vielen Dank an alle, die mir (uns) Licht ins Dunkel gebracht haben!!!

Beste Grüße aus Hattersheim
Christian.

 

[Manni]

Manni, versuch mal eine 6 mm lange Spitze aus 3 mm dickem, gehärtetem Werkzeugstahl abzubrechen. Das ist selbst bei extremen Belastungen nahezu aussichtslos.

Die dünne Lage in die Mitte zu bekommen ist hingegen nur eine Frage der eingesetzten Technik. Walzt man beispielsweise das Ausgangsmaterial, dann ist das kein Problem.

Hallo Achim,
das mit der Lage in der Mitte hat mir keine Ruhe gelassen, darum hab ichs einfach probiert. Kern ist eine Feile, mit Hieb ca 5 mm dick, links und rechts St37, 4 mm dick. Walzen kann ich nicht, also hab ichs in der Gasesse verschweisst. Der Plan war, dass sich der Hieb der Feile schön plattdrückt und der Kern dann dünner ist als die Seiten. Denkste! Die Lagen haben sich zwar schön verschweißt, die Innenlage hat sich aber im Vergleich zu den Äußern kaum verändert. Erfahrende Schmiede (ich bin leider keiner) mag das nicht wundern, mich schon. Ich hab deshalb den Rohling so lange flacher geschmiedet, bis der Rohling ca. 6 mm dick war. Nach dem ersten Grobschleifen kann ich nicht mehr die einzelnen Lagen unterscheiden und werde nach dem Härten ätzen, um zu sehen, wo ich mit meiner Schneidlage (die jetzt vermutlich vieeel dicker ist als die Seiten!) bin. Somit bin ich genau da, wo ich nicht hinwollte: ich weiß nicht, ob ich mit meiner Schneidlage einigermassen in der Mitte bin!
Ich lass euch wissen, wies ausgeht.
Manni

 

[U. Gerfin]

Ich verstehe Deine Sorgen nicht so ganz.
Du hast mit einem Dreilagenpaket von 13 mm angefangen -Kern 5 mm, Seiten je 4 mm. Nach Herunterschmieden auf ca 6 mm hast Du den Eindruck, die Kernlage sei noch in etwa gleich dick geblieben und die Seiten seien viel dünner geworden. Wäre das wirklich so, so wäre Dir ein physikalisches Wunder gelungen. Du hättest nämlich dann die Außenlagen verdichtet und damit deren spezifisches Gewicht erhöht. Der Nobelpreis wäre Dir sicher !.
Was wirklich passiert sein kann, ist daß die weichen Außenlagen rechts und links über den Kern geflossen sind, also breiter und damit ohne Erhöhung des spezifischen Gewichts dünner geworden sind. Gleichmäßig auf der hohen Kante bis zum Kern herunterschleifen, würde die Lagen wieder sichtbar machen. Wenn Du mit einem Flachhammer das Paket sorgfältig überschmiedest, sollten auch die drei Lagen schön gleichmäßig und sauber aufeinander liegen. Wo sollten sie denn sonst hin ?
Also: ruhig und sauber weiterarbeiten. Die Dreilagentechnik ist eine ganz gesunde und empfehlenswerte Konstruktion.
MfG U. Gerfin

 

[Manni]

Ja, ja, sorgfältig und gleichmäßig überschmieden, klingt gut, genau so wollt ichs machen, das war der Plan. In praxi gings genau so, wie du gesagt hast, die Seiten sind über den Kern geflossen. Der ist natürlich auch breiter und auch länger geworden. Den "Überfluss" hab ich weggeflext und die Klinge grob fertiggeschliffen. Am Klingenrücken kann man erkennen, dass der Kern rund 3mm, die Seiten ca. 1,5 mm dick sind. Damit kann ich jetzt gaudihalber Bruchtests machen und das Ganze unter "Erfahrung" ablegen. Zum Problem des des Themas hat mein Versuch aber nichts beigetragen.
Aber: solange Stahl da ist, ist auch Hoffnung da!
Gruß
Manni

 

[braces]

Wie versagt denn der harte Stahl bei Biegebeanspruchung? Die Zugfestigkeit sollte ja wesentlich höher sein, als beim ungehärteten Stahl. Tritt die Überlastung auf der Druckseite auf?

Die Lage der Weichen Schicht scheint nicht das entscheidende Kriterium zu sein. Bei Schwertern ist die weiche Lage ja oft innen. Ich stelle es mir eher vor wie bei Stahlbeton, wo vor allem die flächige, kraftschlüssige Verbindung für die Kombination der Eigenschaften sorgt.
Sozusagen eine Kraftumleitung durch flächige Einspannung.

Vielleicht stelle ich mir das auch falsch vor und der Stahl verhält sich völlig anders.

stay rude
braces

 

[jafi]

Wie versagt denn der harte Stahl bei Biegebeanspruchung? Die Zugfestigkeit sollte ja wesentlich höher sein, als beim ungehärteten Stahl. Tritt die Überlastung auf der Druckseite auf?

Auch wenn die Zugfestigkeit höher ist, heißt das noch nicht, dass die Bruchdehnung das auch ist. Das Versagen wird also auf der gedehnten Seite erfolgen, wie zu erwarten.

Ich könnte mir übrigens vorstellen, dass die dünne, harte Innenlage sich u.U. doch etwas weiter biegen läßt, wenn sie durch weiche Außenlagen geschützt ist: Normalerweise tritt das Versagen ja durch Rißbildung auf. Die äußerste Faser ist als erste über ihre Streckgrenze gedehnt, es bildet sich ein Riß. Damit ist der Querschnitt an dieser Stelle verringert, unmittelbar steigt lokal die Biegung. Folge ist, dass der Riß sich ziemlich rasant fortpflanzt, bis das Teil durchgebrochen ist. Liegt die äußere Faser aber nicht frei, sondern ist auf eine dehnbarere Außenlage aufgeschweißt, kann sich ein klaffender Riß nicht ohne weiteres bilden. Selbst wenn die äußere Fasern nun reißen sollte, tritt der erwähnte lokal verringerte Biegeradius nicht auf.

Was haltet ihr von dieser Argumentation?

Gruß, Jan.

 

[sanjuro]

Harte Schneidlage durch weiche Außenlage wirklich biegsamer?

Auch wenn die Zugfestigkeit höher ist, heißt das noch nicht, dass die Bruchdehnung das auch ist. Das Versagen wird also auf der gedehnten Seite erfolgen, wie zu erwarten....Liegt die äußere Faser aber nicht frei, sondern ist auf eine dehnbarere Außenlage aufgeschweißt, kann sich ein klaffender Riß nicht ohne weiteres bilden. Selbst wenn die äußere Fasern nun reißen sollte, tritt der erwähnte lokal verringerte Biegeradius nicht auf.

Was haltet ihr von dieser Argumentation?

Ich stimme Dir zu, wenn Du im zweitletzten Satz statt "äußere Faser" die innere Faser gemeint hättest, was ich vermute.

Zudem muss man bei einer Biegung auch immer die stützende Funktion der anderen Außenlage (Druckseite) bedenken.

Gruß

sanjuro

 

[braces]

Auch wenn die Zugfestigkeit höher ist, heißt das noch nicht, dass die Bruchdehnung das auch ist.

Gibt es da Zahlen? Ich habe keinen Stahlschlüssel, auch Rapatz&Co. sind nicht in meiner Bibliothek. Ich habe nur ein paar Zahlen zu Baustählen, die uns ja nicht viel weiterhelfen.

c100 (gehärtet) gegen 1.4301 gegen S235JR wäre ja schon mal interessant. Solche Zahlen dürften ja kein Geheimnis sein. Google hat mir da aber auch nicht weitergeholfen.

stay rude
braces