Metallfestigkeit: Eine detaillierte Anleitung und Tabelle

Die Metallfestigkeit ist eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften bei der Bestimmung der Eignung eines Metalls für bestimmte Anwendungen. Sie gibt an, wie gut ein Metall äußeren Belastungen oder Kräften standhalten kann, ohne sich zu verformen oder zu brechen. Metalle mit hoher Festigkeit sind im Baugewerbe, im Maschinenbau und in der Luft- und Raumfahrt von unschätzbarem Wert, wo sie Strukturen stützen und extremen Bedingungen standhalten.

In diesem Leitfaden werden wir die Arten der Festigkeit unterscheiden, die Faktoren diskutieren, die die Metallfestigkeit beeinflussen, und wie sie manipuliert werden können, um die Leistung eines Metalls zu verbessern. Darüber hinaus stellen wir Ihnen eine Metallfestigkeitstabelle zur Verfügung, damit Sie das gewünschte Metallmaterial intuitiver auswählen können.

Arten von Metallstärken

Abhängig von der Belastungsart weisen Materialien unterschiedliche Festigkeiten auf. Hier sind die grundlegenden Belastungsbedingungen für eine Stange:

• Zugbelastung: Kräfte, die das Material ziehen oder dehnen.
• Druckbelastung: Kräfte, die das Material drücken oder komprimieren.
• Scherbelastung: Kräfte, die parallel zur Oberfläche eines Materials wirken und dazu führen, dass Schichten oder Ebenen des Materials aneinander vorbeigleiten.
• Biegebelastung: Kräfte, die dazu führen, dass sich das Material biegt.
• Torsionsbelastung: Kräfte, die das Material verdrehen.
• Stoßbelastung: Plötzliche, heftige Stoß- oder Stoßbelastungen.

Als nächstes werden wir einige der häufigsten Arten von Kraft im Detail besprechen.

1. Zugfestigkeit

Unter Zugfestigkeit versteht man die maximale Zug- oder Dehnungsbeanspruchung, der ein Material standhalten kann, bevor es bricht. Es misst, wie viel Belastung ein Material aushalten kann, bevor es versagt.

Diese Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt eine typische Zugleistung. Die Punkte A, B und C stellen drei Schlüsselknoten der Zugfestigkeit dar, die als Referenzpunkte dienen und deutliche Veränderungen der Produkteigenschaften unter Spannung anzeigen. Schauen wir uns diese drei Punkte einzeln an.

Streckgrenze (Punkt A): Sie bezeichnet die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es zu einer dauerhaften plastischen Verformung kommt. Über diesen Punkt hinaus kehrt das Material nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die Spannung entfernt wird.

Hersteller nutzen die Streckgrenze, um sichere Betriebsgrenzen festzulegen und so die strukturelle Integrität und Funktionalität von Materialien aufrechtzuerhalten. Es wird auch in vielen technischen Vorschriften als Kriterium zur Fehlerdefinition verwendet.

Endfestigkeit (Punkt B): Wenn von Zugfestigkeit allgemein gesprochen wird, bezieht sich dies normalerweise auf die ultimative Zugfestigkeit (UTS). Sie stellt die maximale Belastung dar, die ein Material tragen kann, bevor es zu einer Einschnürung kommt. Ab diesem Punkt verringert sich die Querschnittsfläche, was zu einer Verringerung der Belastung führt, die das Material bis zum Bruch aushalten kann.

Sie können die Zugfestigkeit eines Metalls mithilfe einer Zugprüfmaschine (auch als Universalprüfmaschine oder UTM bezeichnet) bewerten. Es verfügt über zwei Griffe, die die Probe an beiden Enden halten. Während der Prüfung übt die Maschine eine kontrollierte Zugkraft auf das Werkstück aus, bis es bricht. Die ausgeübte Zugkraft (oder Spannung) und Dehnung werden während des Tests gemessen, um die Streckgrenze und die endgültige Zugfestigkeit des Metalls zu bestimmen.

Bruchfestigkeit (Punkt C): Die Belastung, bei der das Material letztendlich versagt und auseinanderbricht. Es wird verwendet, um Komponenten zu konstruieren, die extremen Bedingungen standhalten und die Sicherheit gewährleisten, indem sie katastrophale Ausfälle verhindern.

2. Druckfestigkeit

Diese Art von Festigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Kräften zu widerstehen, die es komprimieren oder verkürzen. Dabei handelt es sich um die maximale Druckbelastung, die ein Material ohne Versagen ertragen kann.

Sie können die Druckfestigkeit mit einer Druckprüfmaschine bewerten. Typischerweise werden Platten verwendet, die von beiden Enden aus Druck auf das Werkstück ausüben und so eine kontrollierte Druckkraft ausüben, bis sich das Metall verformt oder bricht. Der Punkt, an dem die Verformung beginnt, gibt die Druckfestigkeit dieses Metalls an.

3. Schlagfestigkeit

Die Schlagfestigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Bruch oder Verformung zu widerstehen, wenn es plötzlichen, schnellen Stößen oder Stößen ausgesetzt wird. Es stellt die Fähigkeit des Materials dar, kinetische Energie von auftreffenden Objekten zu absorbieren und ihr standzuhalten.

Die Messung erfolgt typischerweise mit einer Schlagprüfmaschine, beispielsweise einem Charpy- oder Izod-Prüfgerät. Diese Maschinen schlagen mit einem Pendelhammer auf eine gekerbte Probe und zeichnen die Energie auf, die die Probe beim Bruch absorbiert.

Warum müssen wir etwas über die Festigkeit von Metallen lernen?

Das Verständnis der Metallfestigkeit ist ein entscheidender Aspekt beim Verständnis der Materialleistung. Dadurch können wir fundierte Entscheidungen über die Auswahl der richtigen Materialien für verschiedene Anwendungen treffen.

Sicherheit und Haltbarkeit

Die Festigkeit von Metallen ist von größter Bedeutung für die Gewährleistung der Sicherheit und Haltbarkeit von Strukturen und Komponenten, insbesondere in wichtigen Anwendungen wie Maschinen, Brücken und Gebäuden. Der Erwerb von Kenntnissen darüber trägt dazu bei, Ausfälle zu verhindern, die zu Unfällen, Verletzungen oder Todesfällen führen können, und stellt eine längere Lebensdauer der Produkte sicher, was letztendlich die Häufigkeit von Reparaturen und Austauschen verringert.

Verbesserung der Leistung

Das Erlernen der Metallfestigkeit ermöglicht die Optimierung der Leistung in verschiedenen Anwendungen. Beispielsweise kann in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie die Verwendung von Metallen mit der entsprechenden Festigkeit die Kraftstoffeffizienz verbessern, das Gewicht reduzieren und die Gesamtleistung verbessern.

Kosteneffizienz

Durch das Verständnis der Festigkeit verschiedener Metalle können Hersteller kosteneffiziente Entscheidungen treffen. Die Wahl des richtigen Metalls für die richtige Anwendung kann Materialverschwendung minimieren, Produktionskosten senken und die Lebensdauer von Produkten verlängern, was zu langfristigen Einsparungen führt.

Innovatives Design

Das Erlernen der Metallfestigkeit eröffnet Möglichkeiten für innovative Design- und Konstruktionslösungen. Es ermöglicht die Schaffung leichterer, stärkerer und effizienterer Strukturen und Produkte und verschiebt die Grenzen des technisch Machbaren.

Stärkste Metalle, die in der Metallherstellung verwendet werden

Als nächstes stellen wir einige Metalle vor, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit in der Praxis weit verbreitet sind.

Titan

Titan ist ein natürlich vorkommendes Metall, das für sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt ist. Neben seinem geringen Gewicht und seiner außergewöhnlichen Zugfestigkeit ist Titan auch äußerst korrosionsbeständig, was es zu einer hervorragenden Wahl für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate und Hochleistungs-Automobilteile macht.

Um seine Eigenschaften weiter zu verbessern, wird es oft in Legierungsform verwendet. Ein gängiges Beispiel ist die Titanlegierung Ti-6Al-4V, die Aluminium und Vanadium enthält und in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet ist.

Wolfram

Unter den natürlich vorkommenden Metallen gilt Wolfram aufgrund seiner höchsten Zugfestigkeit von bis zu 1.725 MPa als das stärkste. In Verbindung mit seinem höchsten Schmelzpunkt ist Wolfram äußerst wertvoll für Anwendungen, die extreme Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit erfordern. Allerdings ist es oft spröde. Um diese Eigenschaft auszugleichen, wird Wolfram üblicherweise mit anderen Elementen wie Kohlenstoff legiert. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte und Haltbarkeit wird Wolframkarbid häufig in Schneidwerkzeugen, Bergbaugeräten und verschleißfesten Oberflächen verwendet.

Chrom

Mit einer Härte von 8,5 auf der Mohs-Skala gilt Chrom als eines der härtesten Metalle der Erde und wird in die Liste der stärksten Metalle aufgenommen. Allerdings wird Chrom aufgrund seiner Sprödigkeit üblicherweise nicht in reiner Form verwendet. Es wird häufig beim Verchromen verwendet, um Metallen und Kunststoffen eine harte, korrosionsbeständige Oberfläche zu verleihen. Darüber hinaus wird Chrom auch in Hochleistungslegierungen verwendet, um die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Edelstahl ist ein typisches Beispiel für eine solche Legierung und eines der am häufigsten verwendeten Materialien in verschiedenen Branchen.

Stahl

Stahl, der durch Legieren von Eisen mit Kohlenstoff und einigen anderen Elementen hergestellt wird, ist das wichtigste Ingenieur- und Baumaterial. Die Festigkeit von Stahl variiert je nach seinen Legierungsbestandteilen. Hier sind einige gängige Arten des stärksten Stahls:

Edelstahl ist eine Legierung aus Eisen, Chrom und oft Mangan. Es ist bekannt für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit mit einer Streckgrenze von etwa 1560 MPa und einer Zugfestigkeit von bis zu 1600 MPa. Dadurch eignet es sich ideal für Küchenutensilien, medizinische Instrumente und Baumaterialien, da es langlebig und rostbeständig ist.

Hochfester niedriglegierter Stahl (HSLA) ist ein weiterer Typ. Es handelt sich um eine Eisenlegierung mit geringen Mengen Kupfer, Nickel, Vanadium, Titan und Niob. HSLA ist leicht, aber dank Mikrolegierungs- und Wärmebehandlungstechniken sehr stark und zäh. Es wird häufig im Automobilbau, im Hochbau, im Brückenbau und bei Rohrleitungen eingesetzt, wo hohe Festigkeit und geringes Gewicht entscheidend sind.

Maraging-Stahl ist eine Legierung aus Eisen mit Nickel, Kobalt, Molybdän und Titan und hat einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt. Dieser Stahl ist für seine ultrahohe Festigkeit und Zähigkeit bekannt, die durch Alterungswärmebehandlung erreicht wird. Es wird in Hochleistungsanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Werkzeugbau, Flugzeugfahrwerken, Raketenmotorgehäusen und Hochleistungsgetrieben eingesetzt.

Werkzeugstahl besteht aus Elementen wie Wolfram, Molybdän, Chrom und Vanadium. Es ist unglaublich hart und abriebfest und behält auch bei hohen Temperaturen eine scharfe Kante. Werkzeugstahl ist für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, Matrizen und Formen unerlässlich, insbesondere wenn eine hohe Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erforderlich sind.

Inconel ist eine Familie von Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Basis, die für ihre hohe Festigkeit und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion, selbst bei hohen Temperaturen, bekannt sind. Inconel ist besonders nützlich in der Luft- und Raumfahrt-, Schifffahrts- und chemischen Verarbeitungsindustrie, wo Materialien starken mechanischen und thermischen Belastungen standhalten müssen, ohne sich zu verschlechtern.

Wie kann die Festigkeit von Metall verbessert werden?

Nachdem wir die stärksten Metalle kennengelernt haben, die üblicherweise in der Metallherstellung verwendet werden, können wir erkennen, dass das Legieren (insbesondere das Hinzufügen neuer Elemente) eine Schlüsselmethode zur Erhöhung der Festigkeit ist. Über das Legieren hinaus werden häufig andere praktische Methoden eingesetzt, um die Festigkeit von Metallen weiter zu verbessern und den ständig steigenden Anforderungen moderner Anwendungen gerecht zu werden.

Lösungshärten und Verstärken

Obwohl es sich hierbei technisch gesehen um eine Form des Legierens handelt, liegt der Schwerpunkt auf der Art und Weise, wie die hinzugefügten Elemente in die Kristallstruktur des Metalls integriert werden, um dessen Festigkeit zu erhöhen. Bei diesem Prozess werden Atome eines Legierungselements zum Kristallgitter des Grundmetalls hinzugefügt, um eine feste Lösung zu bilden. Die eingebauten Atome erzeugen Gitterverzerrungen, die die Versetzungsbewegung behindern und dadurch die Festigkeit des Metalls erhöhen.

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung ist ein kontrollierter Prozess, der dazu dient, die Leistung eines Metalls durch Modifizierung seiner Struktur zu verbessern. Hier sind einige gängige Wärmebehandlungsmethoden zur Verbesserung der Festigkeit von Metall:

• Abschrecken und Anlassen

Beim Abschrecken wird das Metall auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann in einem Medium wie Wasser, Öl oder Luft schnell abgekühlt. Diese schnelle Abkühlung fängt Kohlenstoffatome in der Kristallstruktur ein und bildet eine harte martensitische Phase. Dieser Härteanstieg geht in der Regel mit einem Anstieg der Zugfestigkeit einher. Diese extreme Abkühlung kann jedoch auch zu inneren Spannungen und Sprödigkeit führen.

Nach dem Abschrecken wird häufig ein Anlassen angewendet, um diese Spannungen abzubauen und einen Teil der beim Abschrecken verlorenen Duktilität wiederherzustellen. Während es die Härte leicht verringert, verbessert es die Zähigkeit und schafft eine stabilere Mikrostruktur, wodurch die Widerstandsfähigkeit des Metalls gegen Stöße und Belastungen verbessert wird.

• Normalisieren

Beim Normalisieren wird das Metall über seine kritische Temperatur erhitzt und anschließend an der Luft abgekühlt. Dieser Prozess erzeugt eine gleichmäßigere und feinkörnigere Struktur und erhöht die Festigkeit des Metalls.

• Ausscheidungshärtung (Alterung)

Dabei wird das Metall auf eine moderate Temperatur erhitzt und diese Temperatur über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten, damit sich in der Kristallstruktur des Metalls feine Niederschläge bilden können. Diese Ausscheidungen erhöhen die Streckgrenze und Härte des Materials, indem sie die Versetzungsbewegung behindern.

Kaltumformung

Bei der Kaltumformung, auch Kaltverfestigung genannt, wird das Metall bei Raumtemperatur durch Prozesse wie Walzen, Ziehen oder Strangpressen plastisch verformt. Diese Verformung erhöht die Dichte der Versetzungen innerhalb der Kristallstruktur, behindert deren Bewegung und stärkt dadurch das Material.

Metallfestigkeitstabelle

Das Metallfestigkeitsdiagramm bietet ein zuverlässiges Kriterium für die Auswahl geeigneter Materialien für bestimmte Anwendungen. Es bietet eine umfassende Bewertung der Leistung eines Metalls unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Damit können Sie die Eigenschaften verschiedener Metalle schnell vergleichen.

Arten von Metallen	Zugfestigkeit (PSI)	Streckgrenze (PSI)	Härte Rockwell (B-Skala)	Dichte (Kg/m³)
Edelstahl 304	90.000	40.000	88	8000
Aluminium 6061-T6	45.000	40.000	60	2720
Aluminium 5052-H32	33.000	28.000	-	2680
Aluminium 3003	22.000	21.000	20 bis 25	2730
Stahl A36	58-80.000	36.000	-	7800
Stahlsorte 50	65.000	50.000	-	7800
Gelbes Messing	-	40.000	55	8470
Rotmessing	-	49.000	65	8746
Kupfer	-	28.000	10	8940
Phosphorbronze	-	55.000	78	8900
Aluminiumbronze	-	27.000	77	7700-8700
Titan	63.000	37.000	80	4500

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Festigkeit vs. Duktilität vs. Zähigkeit

Werfen wir abschließend einen kurzen Blick auf einige wichtige, aber leicht verwirrende Materialeigenschaften anhand der unten gezeigten Spannungs-Dehnungs-Kurve.

• Ultimative Stärke:The maximum stress reached during the tensile test.
• Streckgrenze: The stress at which a material begins to deform plastically.
• Duktilität: A measure of the ability of a material to deform plastically (strain) before fracturing.
• Zähigkeit: A measure of the ability of a material to absorb energy up until fracture. It can be thought of as the area under the stress-strain curve. For a material to have high toughness, it should have a good balance of both high strength and high ductility. Low strength and brittle materials tend to have low toughness.
• Widerstandsfähigkeit:A measure of the ability of a material to absorb energy while deforming elastically.
• Härte: The ability of a material to resistance to deformation, particularly permanent deformation, indentation, or scratching. Generally, materials with high hardness tend to also have high strength, especially in terms of compressive and tensile strength. However, this correlation is not absolute.