Die Festigkeit, Härte, Elastizität, Umformbarkeit, Duktilität, Zugfestigkeit, Dehnung, Zähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und ihre Zusammenhänge bei der Materialverarbeitung.

In der modernen mechanischen Fertigung und Präzisionsbearbeitung bestimmen die Materialeigenschaften direkt den Bearbeitungsprozess, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Endprodukts. Die Bearbeitung beschränkt sich nicht auf das Schneiden und Formen von Werkstoffen; sie ist ein Prozess, bei dem Materialeigenschaften und Bearbeitungstechniken aufeinander abgestimmt und synergistisch integriert werden. Zu den gängigen bearbeiteten Werkstoffen zählen Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Titanlegierungen und verschiedene technische Kunststoffe. Festigkeit, Härte, Elastizität, Umformbarkeit, Duktilität, Zugfestigkeit, Dehnung, Zähigkeit und elektrische Leitfähigkeit der bearbeiteten Werkstoffe bilden zusammen deren Materialeigenschaften.

1. Materialfestigkeit

Die Festigkeit eines Werkstoffs ist seine Fähigkeit, Beschädigungen durch äußere Kräfte zu widerstehen, und zählt zu den wichtigsten mechanischen Eigenschaften bearbeiteter Werkstoffe. Sie umfasst typischerweise Streckgrenze, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Scherfestigkeit. Bei tragenden Bauteilen wie Wellen, Halterungen und Strukturkomponenten muss der Werkstoff ausreichend fest sein, um plastische Verformung oder Bruch unter Betriebsbelastung zu verhindern. Hochfeste Werkstoffe ermöglichen oft kleinere Querschnittsabmessungen und Leichtbauweisen, können aber auch die Bearbeitung erschweren, beispielsweise durch beschleunigten Werkzeugverschleiß und höhere Schnittkräfte.

2. Härte

Die Härte eines Werkstoffs beschreibt seinen Widerstand gegen lokale plastische Verformung oder Oberflächenverschleiß und ist für die spanende Bearbeitung von großer Bedeutung. Gängige Härteindikatoren sind die Brinellhärte (HB), die Rockwellhärte (HRC) und die Vickershärte (HV). Höhere Härte bedeutet höhere Verschleißfestigkeit, erschwert aber auch die Bearbeitung. So erfordert beispielsweise gehärteter Stahl oder hochfester legierter Stahl typischerweise Hartmetall- oder beschichtete Werkzeuge und geringere Schnittgeschwindigkeiten. Durch die gezielte Steuerung der Werkstoffhärte lässt sich ein optimales Verhältnis zwischen Bearbeitbarkeit und Leistung erzielen.

3. Elastizität

Elastizität ist die Fähigkeit eines Materials, nach Verformung unter äußerer Krafteinwirkung in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Ihr wichtigstes Bewertungskriterium ist der Elastizitätsmodul. Elastische Eigenschaften beeinflussen direkt die Bearbeitungsgenauigkeit und die Montageergebnisse. Beispielsweise neigen Materialien mit niedrigem Elastizitätsmodul beim Spannen und Schneiden zu elastischer Verformung, was zu Maßabweichungen führt. Daher ist es bei der Bearbeitung von hochpräzisen Teilen unerlässlich, die elastischen Eigenschaften des Materials umfassend zu berücksichtigen und den Einfluss elastischer Verformung durch Optimierung der Spannmethoden und Bearbeitungsparameter zu minimieren.

4. Umformbarkeit

Die Umformbarkeit beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, durch Verfahren wie Gießen, Schmieden, Stanzen und Strangpressen die gewünschte Form zu erreichen. Eine gute Umformbarkeit kann die Fertigungskosten senken und die Produktionseffizienz steigern. So weisen beispielsweise Aluminiumlegierungen und kohlenstoffarmer Stahl typischerweise eine gute Plastizität und Umformbarkeit auf und eignen sich daher für die Massenproduktion komplexer Strukturbauteile. Werkstoffe mit geringer Umformbarkeit, wie hochlegierter Stahl oder bestimmte Hochtemperaturlegierungen, erfordern hingegen oft komplexere Verfahren und verursachen höhere Fertigungskosten.

5. Duktilität

Duktilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen. Sie wird üblicherweise durch Dehnung oder Querschnittsverringerung gemessen. Werkstoffe mit guter Duktilität können unter Belastung Energie durch plastische Verformung absorbieren und sind daher weniger anfällig für Sprödbrüche. Bei der Zerspanung erleichtert eine gute Duktilität die Spanbildung und -abfuhr und reduziert Werkzeugbruch sowie Oberflächenfehler. Kohlenstoffarmer Stahl, Aluminiumlegierungen und Kupferlegierungen weisen typischerweise eine gute Duktilität auf, während Gusseisen und hochharter, abgeschreckter Stahl eine vergleichsweise geringe Duktilität besitzen.

6. Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Werkstoff in einem Zugversuch aushält, und ein wichtiger Indikator für seine Belastbarkeit. Bei Bauteilen, die Zugkräften ausgesetzt sind, wie z. B. Zugstangen, Schrauben und Verbindungsstücke, ist die Zugfestigkeit besonders wichtig. Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit können die strukturelle Sicherheit verbessern, führen aber häufig zu erschwerter Zerspanung und geringerer Bearbeitungseffizienz. Daher muss in der Praxis das Verhältnis zwischen Zugfestigkeit und Zerspanbarkeit umfassend betrachtet werden.

7. Duktilität

Duktilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich unter Zug- oder Druckbelastung dehnen oder falten zu lassen, ohne zu brechen. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Duktilität, betont aber die Kontinuität des Werkstoffs während der plastischen Verformung. Werkstoffe mit guter Duktilität eignen sich besser für Kaltumformverfahren wie Kaltziehen, Kaltwalzen und Kaltstanzen. Bei der Zerspanung trägt eine gute Duktilität zu einer höheren Oberflächenqualität bei und reduziert Defekte wie Risse und Brüche.

8. Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, Energie zu absorbieren und unter Stoß- oder dynamischer Belastung Bruch zu widerstehen. Sie spiegelt sowohl Festigkeit als auch Duktilität wider. Werkstoffe mit hoher Zähigkeit arbeiten unter komplexen Betriebsbedingungen zuverlässiger und eignen sich besonders für Bauteile, die Stoßbelastungen oder wechselnden Spannungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Zahnräder, Wellen und Komponenten von Maschinenbauteilen. Bei der Zerspanung neigen zähe Werkstoffe im Allgemeinen weniger zu Sprödbruch, können jedoch Spanverwicklungen und einen höheren Bearbeitungswiderstand aufweisen, was eine Optimierung der Werkzeuggeometrie und der Zerspanungsmethoden erfordert.

9. Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten und wird üblicherweise als Leitfähigkeit oder spezifischer Widerstand angegeben. Obwohl sie nicht für alle bearbeiteten Teile ein entscheidender Indikator ist, spielt sie in der Elektrotechnik, Elektronik und im Bereich neuer Energien eine wichtige Rolle. Kupfer und seine Legierungen weisen eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf und werden häufig für leitfähige Teile und elektrische Steckverbinder verwendet; Aluminiumlegierungen bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Leitfähigkeit und geringem Gewicht. Bei der Bearbeitung hochleitfähiger Materialien müssen Aspekte wie Werkzeughaftung und Wärmekonzentration während des Schneidprozesses beachtet werden.

10. Zusammenhang zwischen Festigkeit und Plastizität

Festigkeit bezeichnet die maximale Kraft, der ein Material standhalten kann. Plastizität beschreibt den prozentualen Verformungsgrad eines Materials. Beispielsweise hat ein Stahlstab, der einer maximalen Kraft von 100 MPa standhält, eine Festigkeit von 100 MPa. Verformt er sich unter einer Kraft von 100 MPa um 20 %, bevor er bricht, beträgt seine Plastizität 20 %. In der Industrie sind typische Anwendungen, die hohe Festigkeit und hohe Plastizität erfordern, Strukturbauteile im Automobilbereich. Einerseits sollen sie hohen Kräften standhalten, andererseits sollen sie sich bei einem Aufprall stark verformen, um Energie zu absorbieren und die Insassen zu schützen. So sollen beispielsweise Strukturbauteile im Automobilbereich einem Druck von 2000 MPa standhalten und sich dabei bis zu 60 % verformen, ohne zu brechen. (Absorbierte Energie = Kraft auf das Strukturbauteil x Verformungsgrad). Dies entspricht im Wesentlichen der Zähigkeit.

Im Allgemeinen schließen sich Festigkeit und Plastizität von Werkstoffen gegenseitig aus; sie sind wie zwei Seiten derselben Medaille: Erhöhte Festigkeit führt üblicherweise zu verringerter Plastizität. Untersuchungen zeigen, dass plastische Verformung in metallischen Werkstoffen typischerweise durch Versetzungsgleitung erfolgt. Bei der Kaltverfestigung erfahren Metalle plastische Verformung, Korngleitung tritt auf und es kommt zu Versetzungsverhakungen, die Kornstreckung, Fragmentierung und Fibrose verursachen. Dies verhindert weitere Verformung und führt schließlich zu Versagen und Bruch.

11. Elastizität und Plastizität sind relativ.

Elastizität ist einfach: Die Verformung kann nach dem Wegfall der äußeren Kraft vollständig reversibel sein. Plastizität hingegen bezeichnet die plastische Verformung eines Materials; nach dem Wegfall der äußeren Kraft kann die Verformung nicht vollständig reversibel sein, es bleibt eine plastische Restverformung zurück. Beispielsweise wird die Bruchdehnung zur Beurteilung der Plastizität von Stahl herangezogen. Nach dem Bruch einer Stahlprobe bildet sich die elastische Verformung zurück, die verbleibende Verformung ist jedoch plastisch. Daher kann die Bruchdehnung zur Beurteilung des plastischen Verformungsvermögens von Stahl verwendet werden.

12. Duktilität und Sprödigkeit sind relativ.

Duktilität bezeichnet die Fähigkeit einer Struktur oder eines Bauteils, nach Erreichen des sogenannten Versagenszustands weiterhin Lasten zu tragen, bis die maximale Tragfähigkeit erreicht ist. Sprödigkeit hingegen beschreibt das Versagen einer Struktur oder eines Bauteils ohne jegliche Vorwarnung. Sprödes Versagen ist daher schwerwiegender als duktiles Versagen.

13. Steifigkeit, Duktilität und Plastizität

Zunächst einmal sind alle drei Konzepte ein Maß für den Grad der Verformung. Steifigkeit ist der Last-Verschiebungs-Wert im elastischen Bereich (EI) und beschreibt den Grad der Härte oder Weichheit. Duktilität und Plastizität beschreiben Verformungen im inelastischen Bereich. Der Duktilitätskoeffizient lässt sich quantitativ berechnen, während Plastizität ein qualitatives Konzept ist.

14. Zähigkeit = Festigkeit + Plastizität

Zähigkeit ist die Energie, die ein Material während des Prozesses vom Widerstand gegen äußere Kräfte bis zum Bruch aufnimmt, einschließlich der Energie, die sowohl in der elastischen als auch in der plastischen Verformungsphase verbraucht wird. Die gleichzeitige Erhöhung von Festigkeit und Plastizität hat den größten Einfluss auf die Verbesserung der Zähigkeit, jedoch widersprechen sich diese beiden Aspekte.

Zähigkeit bezeichnet die Energie, die ein Material während des Prozesses von der Krafteinwirkung bis zum Bruch absorbiert. Je höher die beim Bruch absorbierte Energie, desto höher die Zähigkeit. Energieverbrauch bedeutet, dass Arbeit von außen am Material verrichtet werden muss, was Kraftaufwand und Verformung erfordert. Die Fähigkeit, Spannungen standzuhalten, wird durch Festigkeit, die Verformbarkeit durch Plastizität charakterisiert. Daher weisen Materialien mit hoher Zähigkeit auch eine gute Plastizität auf. Der Unterschied zwischen Zähigkeit und Plastizität liegt darin, ob die einwirkende Spannung bei der Verformung des Materials berücksichtigt wird.