Wir sollten vermutlich zugeben dass die Liste der mechanischen Eigenschaften ziemlich umfangreich ist. Einige sind beim Beschreiben eines Werkstoffs wichtiger und gebräuchlicher als andere. Deshalb betrachten wir das Thema aus Sicht eines Ingenieurs. Er muss die Grundlagen kennen, um Metallarten voneinander unterscheiden und eine fundierte Entscheidung bei der Konstruktion treffen zu können.
Zunächst es, einige physikalische Konzepte hinter den mechanischen Eigenschaften zu erklären. Das wichtigste davon ist die Spannung. Sie gibt an, wie groß die auf Fläche wirkende Kraft ist. Im Maschinenbau sie meist in MPa oder N/mm² angegeben, wobei beide Einheiten austauschbar sind. Die Formel für die Spannung lautet:
= F/A, wobei F die Kraft (N) und A die Fläche (mm²) ist.
Das zweite zentrale Konzept ist die Dehnung. Die Dehnung ist dimensionslos, da sie das Verhältnis zweier Längen angibt. Sie wird wie folgt berechnet:
ε = (l – l₀) / l₀, wobei l₀ die Ausgangslänge (mm) l die gedehnte Länge (mm) ist.
Aus diesen beiden Konzepten ergeben sich die ersten mechanischen Eigenschaften – Steifigkeit und ihre Gegenspielerin, die Elastizität. Für Ingenieure ist dies ein wichtiger Faktor bei der Lösung physikalischer Probleme (z. B. bei der Werkstoffauswahl für bestimmte Anwendungen).
Ein steifer Werkstoff lässt sich weder leicht zusammendrücken noch dehnen.
Die Steifigkeit wird durch das Elastizitätsmodul, auch Youngscher Modul genannt, ausgedrückt. Als eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften beschreibt es die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung – je höher der Wert, desto steifer das Material.
Das bedeutet, dass zwei gleich große Bauteile unterschiedlich stark verformt werden, wenn sie verschiedene Elastizitätsmoduln besitzen. Ein niedriger Wert hingegen bedeutet, dass das Material elastischer ist.
Die Formel für das Elastizitätsmodul lautet:
E = σ / ε (MPa)
Die Streckgrenze ist der in der Technik am häufigsten verwendete Wert. Sie gibt die maximale Spannung in MPa an, die ein Material aufnehmen kann, bevor es plastisch verformt wird. Dieser Punkt wird als Streckpunkt bezeichnet. Bis zu diesem Punkt nimmt das Material nach Entlastung wieder seine ursprüngliche Form an. Wird der Streckpunkt überschritten, bleibt die Verformung dauerhaft bestehen.
Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Die Verwendung der Streckgrenze als wichtigsten Parameter im Maschinenbau hat gute Gründe. Wie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt, ist die Schädigung nach Überschreiten der Streckgrenze noch nicht katastrophal. So bleibt ein „Puffer“, bevor eine Konstruktion vollständig versagt und bricht.
Zugfestigkeit, auch als maximale Zugspannung bezeichnet, ist der nächste Schritt nach der Streckgrenze. Ebenfalls in MPa gemessen, gibt sie die maximale Spannung an, die ein Werkstoff aushält, bevor er bricht.
Bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe zur Aufnahme bekannter Kräfte können zwei Materialien mit ähnlicher Streckgrenze unterschiedliche Zugfestigkeiten aufweisen. Eine höhere Zugfestigkeit kann helfen, Unfälle bei unerwarteten Belastungen zu vermeiden.
Plastizität ist eine mechanische Eigenschaft, die beschreibt, wie gut sich ein Werkstoff unter Belastung dauerhaft verformen lässt, ohne zu brechen – und diese verformte Gestalt nach Entlastung beibehält. Metalle mit hoher Plastizität eignen sich besonders gut zur Umformung, wie beim Biegen von Metallen.
Zwei verwandte Eigenschaften sind Duktilität und Verformbarkeit. Duktilität beschreibt im Wesentlichen das gleiche wie Plastizität – sie ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich plastisch zu verformen, bevor er bricht. Sie wird als prozentuale Längenzunahme oder prozentuale Querschnittsverringerung angegeben. Duktilität ist entscheidend, wenn etwa dünne Metalldrähte gezogen werden. Ein gutes Beispiel für einen duktilen Werkstoff ist Kupfer, wodurch die Herstellung von Drähten möglich ist.
Verformbarkeit ist per Definition ähnlich, bezeichnet aber speziell die Eignung eines Werkstoffs für druckbeanspruchte Umformung. Ein Metall mit hoher Verformbarkeit eignet sich besonders zur Herstellung von Blechen oder Platten durch Walzen oder Hämmern.
Zähigkeit ist eine Kombination aus Festigkeit und Plastizität. Ein zäher Werkstoff kann harte Schläge aufnehmen, ohne zu brechen. Zähigkeit wird oft als Fähigkeit eines Materials definiert, Energie aufzunehmen, ohne zu reißen.
Zähigkeit von Werkstoffen ist bei solchen Maschinen besonders wichtig
Ein Beispiel für erforderliche Zähigkeit sind Radlader im Steinbruch: Werden große Felsbrocken in die Mulden geworfen, führt dies bei zähen Materialien zu Verformungen, nicht zu Rissen.
Eine weitere wichtige Eigenschaft für Konstruktionswerkstoffe. Hohe Härtewerte zeigen an, dass ein Werkstoff lokalen Druckbelastungen widersteht. Einfach ausgedrückt: Ein harter Werkstoff lässt sich nur schwer ritzen oder mit bleibenden Spuren (plastischer Verformung) beschädigen. Dies ist besonders bei starkem Verschleiß von Bedeutung. In solchen Fällen sind harte Werkstoffe wie Hardox gut geeignet. Härte und Zähigkeit sind entscheidende Faktoren für die Dauerhaftigkeit.
Härte wird durch Ritzen, Rückprall oder Eindrücken gemessen. Am gebräuchlichsten ist die Angabe der Härte durch Eindringprüfung. Je nach Werkstoff gibt es verschiedene Prüfverfahren, die zu unterschiedlichen Härtewerten führen – Brinell, Vickers oder Rockwell. Möchten Sie zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen Härtewerten vergleichen, müssen Sie diese zunächst in dasselbe System (z. B. Vickers) umrechnen.
Sprödigkeit ist in der Technik meist eine unerwünschte Eigenschaft. Sie bedeutet, dass ein Werkstoff ohne erkennbare plastische Verformung bricht. Ein Hinweis auf Sprödigkeit ist das knackende Geräusch beim Bruch.
Spröde Werkstoffe hinterlassen Bruchkanten, die deutlich zusammengehören
Obwohl Sprödigkeit oft mit geringer Festigkeit assoziiert wird, ist das nicht zwangsläufig der Fall. Beide Eigenschaften schließen sich nicht aus. Ein fester Werkstoff kann dennoch spröde sein – ein Beispiel hierfür sind Keramiken. Gusseisen ist ein Beispiel für ein sprödes Metall.
Ermüdungsfestigkeit oder Dauerfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, zyklischen Belastungen standzuhalten. Bei Eisenlegierungen gibt es eine klare Belastungsgrenze, die das Metall aushält. Liegt die Belastung unter diesem Grenzwert (bei gegebener Zahl von Lastwechseln), besteht keine Bruchgefahr.
Diese Eigenschaft ist bei der Konstruktion von Wellen besonders wichtig, da sich die Kraftrichtung durch die Rotation ständig ändert, die Belastung also zyklisch ist.
Bei anderen Metallen wie Aluminium und Kupfer gibt es keine eindeutige Grenze für die Widerstandsfähigkeit gegen zyklische Belastungen. Sie brechen trotzdem nach einer bestimmten Anzahl von umkehrenden Biegungen. Für solche Werkstoffe gibt es einen ähnlichen messbaren Wert – die Betriebsfestigkeit.
Bei der Ermüdungsfestigkeit hat ein Werkstoff ein unendlich langes Leben, solange die Belastung unterhalb der Dauerfestigkeit bleibt. Im Fall der Betriebsfestigkeit erhält man einen Wert, unterhalb dessen der Werkstoff eine bestimmte Anzahl von Lastwechseln (meist 10⁷) schadlos erträgt.
