Ich weiß, dass die Kraft, die erforderlich ist, um ein Material von sich selbst zu trennen, mit der Oberflächenenergie dieses Materials zusammenhängt. Wenn man sich jedoch nur die Oberflächenenergie ansieht, wird die Kraft, die man braucht, um tatsächlich etwas zu schneiden, lächerlicherweise unterschätzt. Beispielsweise hat Aluminium eine Oberflächenenergie von etwa 1 Joule pro Quadratmeter. Dies entspricht einer Schneidkraft von etwa 2 Unzen pro Fuß Dicke. Aber offensichtlich ist in einer realen Situation mehr Kraft erforderlich. Woher kommt diese Kraft?
Ich vermute, dass die beiden größten Faktoren die Reibung zwischen dem Material und der Klinge und die plastische Verformung des Materials um die Klinge herum sind. Aber ich sehe nicht, wo hier Schärfe oder Härte ins Spiel kommen. Was vermisse ich?
Nur um genau zu sein, ich suche nicht nach Sägen, Spalten oder maschineller Bearbeitung; Drücken Sie einfach eine Klinge direkt durch eine Materialbahn (wie die Verwendung eines Messers zum Aufschneiden von Kunststoffverpackungen).
Wenn Sie etwas schneiden, indem Sie eine Klinge direkt hineindrücken, passiert Folgendes: Beim ersten Kontakt der Klinge mit dem Material berührt nur die sehr dünne Kante der Klinge das Material, die Kraft pro Flächeneinheit ist sehr hoch und die Klinge spaltet das Material sehr leicht. Deshalb ist es fast trivial einfach, mit einer scharfen Klinge Kerben in Dinge wie Aluminium zu setzen. Aber sobald die Klinge einzudringen beginnt, muss die Öffnung, in die die Klinge hinabsteigt, weit genug geöffnet werden, damit der Körper der Klinge hindurchpasst. Dies wird hauptsächlich dadurch erreicht, dass die keilförmigen Seiten der Klinge das Material auseinander drücken. Der größte Teil des Widerstands gegen die Klinge beruht auf der Reibung der Seiten der Klinge gegen das Material und auf der Energie, die erforderlich ist, um das Material nach außen zu verformen, um Platz für die Klinge zu schaffen. Unter Umständen
Stellen Sie sich vor, Sie schneiden ein Stück Käse, indem Sie einen Draht hindurchdrücken. Je dünner der Draht ist, desto weniger Kraft wird natürlich benötigt, um den Käse zu schneiden. Was ist die Grenze, wenn der Durchmesser des Drahtes gegen Null geht? Ich vermute (weiß es aber nicht genau), dass es die von Ihnen erwähnte molekulare Bindungsenergie ist. Aber da jeder echte Draht dick genug sein müsste, um nicht zu brechen, können wir diese theoretische Grenze nie erreichen.
Abgesehen davon wird ein ähnlicher Denkprozess beim Entwerfen von Laserschneidern und EDM-Drahtschneidern verwendet. Je stärker der Laserstrahl fokussiert ist (oder je dünner der EDM-Draht), desto weniger Material muss verdampft werden und desto weniger Energie wird für eine bestimmte Schnittlänge benötigt.
Hier ist eine intuitive / qualitative Antwort. Vielleicht fügt jemand anderes etwas Mathematik hinzu.
Ich frage mich, ob es aufschlussreich ist, sich das Spalten von Diamanten anzusehen. Wie Sie wissen, ist Diamant extrem hart und die konventionelle Bearbeitung sehr schwierig. Aber wenn Sie die richtige Bruchebene finden ((111) und ihre symmetrischen Cousins), ist es möglich, den Diamanten mit relativ wenig Kraft entlang dieser Ebene zu spalten. Dies geschieht normalerweise mit einer gut ausgerichteten, gehärteten Klinge, einer lasergeritzten Linie zum Einleiten des Bruchs und einem scharfen Schlag mit einem Hammer. Die Kraft mag hoch sein, aber die Klinge bewegt sich nur über eine geringe Distanz – und das Ergebnis ist, dass der Diamant mit relativ wenig Arbeit entlang seiner Bruchebene spaltet.
Warum sollte es also bei Aluminium anders sein? Wenn sich ein Riss ausbreitet, passiert normalerweise etwas Interessantes an der Spitze – und genau das, was passiert, hängt stark von der Dehnungsrate ab. Im Fall des obigen Diamanten ist die Dehnungsrate extrem hoch – und das Material hat keine Chance, darauf zu reagieren, außer dass es bricht. Im Gegensatz dazu neigen Sie bei niedrigeren Dehnungsraten vor dem Bruch zu einer elastischen Verformung an der Rissspitze: Das heißt, Sie brechen nicht nur die Oberflächenbindungen, sondern Sie leisten eine erhebliche Menge an Arbeit, um die Atome in der Nähe der Bruchfläche herumzubewegen. Dadurch neigt die Rissspitze dazu, stumpf zu werden, und das erhöht nur das Volumen des durch das Schneiden bearbeiteten Materials.
Sie brechen also nicht nur die Oberflächenbindungen – Sie induzieren tatsächlich Reibung und interatomare Bewegung auf einer Skala, die viel tiefer als die Oberfläche reicht. Wie viel tiefer genau, hängt vom Material und der Dehnungsrate ab – aber es entsteht eine Arbeit, die um ein Vielfaches größer ist, als Sie aus der Oberflächenenergie ableiten würden.
Einige Beweise dafür, dass meine Hypothese richtig sein könnte, werden in diesem Artikel gegeben - der den folgenden Text enthält:
Wir stellen fest, dass partielle Versetzungen an der Rissspitze nukleiert und unter Spannung von der Rissspitze wegbewegt werden. Diese partiellen Versetzungen stumpfen die Rissspitze ab und führen zu einem duktilen Bruch in Abwesenheit von H-Verunreinigungen.
Ich denke, dieser Mechanismus erfordert viel mehr Energie als ein einfaches Spalten entlang der Ebene.