Was ist Duktilität? Ein umfassender Leitfaden

In der Materialwissenschaft ist die Fähigkeit eines Materials, Verformungen zu widerstehen, ohne zu brechen, von wesentlicher Bedeutung, insbesondere bei der Herstellung und bei technischen Anwendungen. Diese Eigenschaft wird als Duktilität bezeichnet.

Das Wissen um die Duktilität, wie sie gemessen wird und welche Materialien diese Eigenschaft besitzen, kann den Unterschied zwischen einem gut funktionierenden Produkt und einer misslungenen Konstruktion ausmachen.

Was bedeutet Duktilität?

Duktilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, sich vor dem Bruch erheblich plastisch zu verformen.

Vereinfacht ausgedrückt ermöglicht diese Eigenschaft, dass ein Material zu einem dünnen Draht gedehnt oder gebogen werden kann, ohne zu brechen. Diese Eigenschaft ist wichtig für Materialien, die eher Zugkräften - Kräften, die das Material ziehen und dehnen - als Druckkräften ausgesetzt sind.

In der Werkstoffkunde können duktile Werkstoffe große Verformungen aushalten, bevor sie versagen, während spröde Werkstoffe mit geringer oder ohne Verformung brechen. 

Die Duktilität steht in engem Zusammenhang mit der Plastizität eines Materials, d. h. der Fähigkeit, sich irreversibel zu verformen, ohne zu brechen. Während sich die Elastizität auf die Fähigkeit eines Materials bezieht, nach dem Abbau von Spannungen in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, bedeutet Plastizität, dass es sich verformt. Diese Materialien weisen ein hohes Maß an Plastizität auf.

Wie wird die Duktilität bestimmt?

Die gängigste Methode zur Bestimmung der Duktilität ist der Zugversuch, bei dem ein Material einer zunehmenden Spannung ausgesetzt wird, bis es bricht. Diese Prüfung hilft Ingenieuren zu verstehen, wie stark sich ein Material unter Belastung dehnen oder verformen kann, bevor es bricht. Die Ergebnisse von Zugversuchen werden in der Regel in einer Spannungs-Dehnungs-Kurve dargestellt.

Diese Spannungs-Dehnungskurve zeigt, wie ein Material auf Spannung (Kraft pro Flächeneinheit) und Dehnung (Verformung) reagiert. Bei der Prüfung sind Ingenieure daran interessiert, wie viel Dehnung das Material aushalten kann, bevor es versagt. Je mehr Dehnung ein Material aufnehmen kann, desto duktiler ist es.

Zu den wichtigsten Punkten auf der Spannungs-Dehnungs-Kurve gehören:

• Streckgrenze: Der Punkt, an dem das Material beginnt, sich plastisch zu verformen, d. h. es kehrt nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurück, sobald die Spannung aufgehoben wird.

• Ultimative Stärke: Die maximale Spannung, die das Material aushalten kann, bevor es bricht.

• Elastizitätsmodul: Stellt das Verhältnis zwischen Spannung (pro Flächeneinheit aufgebrachte Kraft) und Dehnung (Verformung) in einem Material dar, das sich elastisch verformt. Im Wesentlichen sagt sie aus, wie stark sich ein Material unter einer bestimmten Belastung dehnt oder staucht und wie leicht es in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, sobald die Belastung aufgehoben wird.

Materialien mit hoher Bruchdehnung sind duktiler, da sie sich weiter dehnen können, bevor sie versagen. Umgekehrt zeigen spröde Materialien eine geringe Dehnung vor dem Bruch.

Messungen zur Duktilität

Die Duktilität kann mit zwei Hauptindikatoren gemessen werden: Dehnung und Flächenverringerung. Diese Messungen liefern eine quantitative Bewertung, wie stark sich ein Material verformt, bevor es bricht.

Dehnung: Diese wird in der Regel als Prozentsatz ausgedrückt, wobei die Längenänderung des Materials nach der Verformung mit seiner ursprünglichen Länge verglichen wird. Wenn sich beispielsweise ein Metallstab vor dem Bruch um 10% dehnt, beträgt seine Dehnung 10%. Ein höherer Prozentsatz bedeutet eine höhere Dehnbarkeit. Diese Messung ist in der Fertigung von entscheidender Bedeutung, da die Materialien während der Verarbeitung häufig gedehnt oder gebogen werden müssen.

Verkleinerung der Fläche: Diese Messung konzentriert sich auf die Querschnittsfläche des Materials an der Bruchstelle. Nach einem Zugversuch wird die Querschnittsfläche an der Bruchstelle mit der ursprünglichen Querschnittsfläche verglichen. Je größer die Flächenverringerung ist, desto duktiler ist das Material. Diese Messung ist wichtig für Werkstoffe, die bei Herstellungsprozessen wie Walzen oder Strangpressen ausgedünnt werden.

Sowohl die Dehnung als auch die Flächenverkleinerung geben Ingenieuren und Herstellern Aufschluss darüber, wie sich ein Material unter verschiedenen Belastungsarten verhält, so dass für jede Anwendung das richtige Material ausgewählt werden kann.

Duktile Materialien für die Fertigung

In der Fertigung spielt die Duktilität von Metallen in verschiedenen Prozessen eine entscheidende Rolle, unter anderem:

Blechbearbeitung: Metalle können zu dünnen Blechen geformt werden, die in Automobilkarosserien, Flugzeugverkleidungen und anderen großen Strukturen verwendet werden.

Schmieden und Walzen: Duktile Metalle können leicht in verschiedene Formen geschmiedet oder gewalzt werden, wobei ihre strukturelle Integrität erhalten bleibt.

Strangpressen: Metalle wie Aluminium und Kupfer können zu langen Formen wie Rohren, Stangen und Schläuchen stranggepresst werden.

3D-Druck mit Metallen: Durch Techniken wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF) können Metalle wie Titan und Aluminium in komplexen Geometrien 3D-gedruckt werden, wobei die Flexibilität erhalten bleibt. 

Einige Beispiele für duktile Werkstoffe, die häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden:

Kupfer: Eines der dehnbarsten Metalle, Kupfer kann zu dünnen Drähten gedehnt werden, ohne zu brechen. Seine Dehnbarkeit und hervorragende elektrische Leitfähigkeit machen es zur ersten Wahl für die Verkabelung von Elektronik und elektrischen Systemen.

Aluminium: Es ist bekannt für sein geringes Gewicht und seine mäßige Verformbarkeit, Aluminium wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Bauindustrie verwendet. Es lässt sich leicht in verschiedene Formen bringen und behält dabei seine Festigkeit und Haltbarkeit.

Gold: Gold ist ein äußerst dehnbares Material, das häufig in der Elektronik und im Schmuckbereich verwendet wird, da es sich in sehr feine Drähte ziehen lässt, ohne seine Integrität zu verlieren. Es kann zu komplizierten Designs geformt werden.

Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: Stahl, insbesondere kohlenstoffarmer Stahl, ist einer der am häufigsten verwendeten Werkstoffe in der Fertigung. Seine Duktilität absorbiert Energie, was ihn zu einem wichtigen Werkstoff für Anwendungen macht, bei denen die Teile Belastungen, Stößen oder Vibrationen ausgesetzt sind.

Nickellegierungen: Nickellegierungen, wie z. B. Inconelweisen eine ausgezeichnete Duktilität bei hohen Temperaturen auf und eignen sich daher ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieerzeugung, wo extreme Hitzebeständigkeit erforderlich ist.

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