Werkstoffeigenschaften von Stählen

Wichtige Materialeigenschaften

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Werkstoffeigenschaften. Die folgende Auflistung enthält nur die Eigenschaften, die für die Bearbeitung von Blechen wichtig sind:

Dehnung
Einschnürung
Elastizität
Festigkeit

Härte
Kerbschlagzähigkeit
Rostbeständigkeit
Streckgrenze (Re)

Verschleißfestigkeit
Verzunderung
Warmfestigkeit
Zerspanbarkeit

Dehnung

Die Dehnung ist eine wichtige Materialeigenschaft, die die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs beschreibt. Die Dehnung ist ein Maß für die Längenänderung eines Werkstoffs bei Einwirkung einer Zugkraft. Die Dehnung kann linear oder nichtlinear sein, was sich darauf auswirkt, wie der Werkstoff auf die Belastung reagiert. Die lineare Dehnung ist das Verhalten eines Werkstoffs, der sich bei Einwirkung einer Zugkraft konstant und gleichmäßig dehnt.

Dieses Verhalten ist bei vielen Metallen und Kunststoffen zu beobachten. Im Gegensatz dazu zeigt das nichtlineare Dehnungsverhalten bei Anwendung einer Zugkraft eine zunehmende Dehnung. Es kann auch zu einem plötzlichen Versagen des Materials nach einer bestimmten Dehnung kommen. Diese maximale Dehnung bis zum Bruch des Werkstoffs wird im Zugversuch bestimmt.

Die Dehnung eines Werkstoffes wird im Allgemeinen im Zusammenhang mit der Festigkeit und der Elastizität des Werkstoffes betrachtet.

Einschnürung

Einschnürungen sind plastische Verformungen die durch die Einwirkung von Zugkräften entstehen. Zieht man ein Werkstück in die Länge, wird der Werkstoff an einem bestimmten Abschnitt immer dünner. Diese Verjüngung nennt man Einschnürung.

Je höher die Einschnürung, desto weniger Zugfestigkeit besitzt das Material. Durch Untersuchung der Einschnürung können wir den Zustand des Materials bestimmen und feststellen, ob es für einen bestimmten Zweck geeignet ist.

Dehnt man das Werkstück immer weiter, reißt dieses an dieser Verjüngung.

Elastizität

Die Elastizität ist eine wichtige Werkstoffeigenschaft. Dieser Kennwert gibt darüber Auskunft, wie stark ein Material gedehnt werden kann, ohne dass es zu einer plastischen Verformung kommt. Das Werkstück würde nach Wegfall der Beanspruchung in die ursprüngliche Form zurückkehren.

Diese Eigenschaft ist für Anwendungen sehr wichtig, in denen sich Materialien in einem bestimmten Maße dehnen müssen, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Elastizität spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung und dem Design von Metallkonstruktionen. Es gibt verschiedene Arten von Elastizität in Metallen, wie zum Beispiel die Fähigkeit, sich unter Last zu verformen und sich danach wieder in die ursprüngliche Form zurückzukehren. Die verschiedenen Formen der Elastizität werden im Beitrag über das Spannungs-Dehnungs-Diagramm beschrieben

Festigkeit

Die Festigkeit beschreibt den mechanischen Widerstand eines Werkstoffes, der einer mechanische Belastung entgegen wirkt um ein Reißen, Brechen oder plastisches Verformen zu verhindern. Verfügt ein Werkstoff über eine hohe Festigkeit, lässt sich dieser oft schwer verarbeiten. Durch die Zugabe von Legierungselementen kann eine hohe Festigkeit von Metallen erreicht werden.

Die Festigkeit ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie z.B.:

Werkstoffart
Beschaffenheit / Zustand des Werkstoffes
Art der Beanspruchung (drücken, biegen, ziehen etc.)
Zeitlicher Rahmen der Belastung

Grundsätzlich kann die Festigkeit in folgende Arten unterteilt werden:

Statische und dynamische Festigkeit
Bruchfestigkeit
Ein- oder mehrachsige Beanspruchung
Warmfestigkeit

Härte

Die Härte ist eine Werkstoffeigenschaft, die den mechanischen Widerstand eines Werkstoffs gegen das mechanische Eindringen anderer Körper definiert. Je höher die Härte, desto geringer ist die Anfälligkeit des Materials für Kratzer und Verschleiß.

Die Härte eines Stahlblechs kann durch verschiedene Einflüsse verändert werden, indem es:

mit Wärme behandelt wird (Änderung des Gefüges)
umgeformt wird (Änderung der Struktur)
Legierungselemente hinzugefügt oder Begleitelemente entfernt werden (Änderung der chemischen Zusammensetzung)

Prüfverfahren

Die Härte ist eine Kenngröße, keine physikalische Größe. Sie kann durch verschiedene Prüfverfahren ermittelt werden. Diese variieren je nach untersuchtem Werkstoff und können Messungen der Oberflächenhärte, der Innenhärte und des Widerstands gegen Kratzer und andere Arten von Verschleiß umfassen. Zu den gebräuchlichsten Härteprüfverfahren gehören die Kugeldruckhärteprüfung und Prüfungsverfahren nach Rockwell und Brinell.

Kerbschlagzähigkeit

Zu den Widerstandsfähigkeiten eines Werkstoffes zählt die Kerbschlagzähigkeit. Diese gibt an welche Beanspruchung ein Werkstoff durch eine dynamische Einwirkung, beispielsweise durch Schlagen eines Hammers aushält.

Getestet wird mit einem speziellen Prüfgerät. Hierfür wird das Werkstück eingekerbt, in das Prüfgerät eingespannt und Wärme oder Kälte ausgesetzt. Nun fällt ein Schlagpendel aus einer festgelegten Höhe fortwährend mit der gleichen Energie auf das Prüfstück, bis dieses bricht. Der Test hat immer den Bruch des Prüfstückes zur Folge.

Die Kerbschlagfestigkeit gibt an, wie stark das Material Krafteinwirkungen standhalten und absorbieren kann, ohne dabei zu brechen.

Rostbeständigkeit

Wasser, feuchte Raumluft, Verschmutzungen und Chemikalien können mit Stahl reagieren und so das Material angreifen. Die Rostbeständigkeit gibt Auskunft darüber, wie stark der Werkstoff den korrodierenden Einflüssen von Wasser, Salzwasser, Schmutz und Chemikalien standhalten kann.

Die Widerstandskraft gegen Korrosion kann durch verschiedene Legierungselemente erhöht werden. Chrom, Nickel und Vanadium verbessern die Rostbeständigkeit deutlich. Ab einem Chromgehalt von 13% erreicht Stahl die Korrosionsbeständigkeit. Durch Kombination von Legierungselemente können Stahlsorten für den Einsatz in den widrigsten Umgebungen hergestellt werden.

Industriezweige mit widgrigen Umweltbedingungen

Offshoreindustrie: Salzwasser und salzige Luft
Atomkraftwerke: Radioaktive Strahlung
Lebensmittelindustrie: Salze, Essig, Säuren
Schwimmbäder: Chlorhaltiges Wasser
Chemieindustrie: Chemikalien, wie Säuren und Basen

Schmiedbarkeit

Eine Form Stahl zu bearbeiten ist das Schmieden. Hierbei werden Metalle zwischen zwei Werkzeugen mittels Druck verformt. Durch diese Bearbeitung werden die Gefüge des Werkstoffes ohne Materialverlust geändert. Es erfolgt eine Härtung des Metalls. Schmieden kann manuell (Freiformschmieden) oder industriell erfolgen.
Fast alle Metalle und Legierungen können geschmiedet werden. Wichtig ist, dass der Kohlenstoffanteil maximal 2 % beträgt. Höhere Anteile können plastisch nicht mehr verformt werden. Legierungselemente, wie Kupfer und Schwefel haben einen negativen Einfluss auf die Schmiedbarkeit. Vanadium dagegen kann die Schmiedbarkeit verbessern.

Streckgrenze

Der Werkstoffkennwert Streckgrenze bestimmt den Bereich, bis zu dem keine bleibende Veränderung also plastische Verformung stattfindet, wenn der Werkstoff einer Belastung durch Zug ausgesetzt ist.

Ermittelt wird der Grenzwert durch einen Zugversuch. Hier wird der Werkstoff bis zum Bruch gedehnt. Die Streckgrenze ist der Wert bei dem sich ein Werkstoff anfängt plastisch zu verformen und nach Beendigung der Dehnung nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückzieht.

Für Werkstoffe können häufig zwei Streckgrenzen bestimmt werden:

Obere Streckgrenze: größte Spannung, bei dem keine dauerhafte plastische Verformung auftritt
Untere Streckgrenze: geringste Spannung, bei dem der Werkstoff sich verformt und nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Verschleißfestigkeit

Die Widerstandsfähigkeit von Stahl auf mechanischen Abrieb stellt die Verschleißfestigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit dar. Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen können die Metalloberflächen durch Beschichtungsverfahren wie Hartverchromen behandelt werden auch Wärmeverfahren wie Vakuumhärten oder Nitrieren führen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Stahl.

Verzunderung

Eine Verzunderung tritt auf, wenn man Metall sehr stark erhitzt und Sauerstoff ausgesetzt. Das Metall korrodiert und bildet unerwünschte Ablagerungen (Verzunderungen). Bei manchen herzustellenden Produkten ist es daher wichtig, die Verzunderungsbeständigkeit des Metalls zu kennen. Diese Eigenschaft zeigt an, wie stark man Metall erhitzen kann, ohne dass es zu unerwünschten Reaktionen wie Verzunderung kommt.

Zunder entfernt man mechanisch beispielsweise durch Abschlagen, Bürsten, Schleifen oder chemisch durch Beizen.

Warmfestigkeit

Wie fest ein Werkstoff bei höheren Temperaturen ist stellt die Warmfestigkeit dar. Oft ist es wichtig, dass Stahl auch bei hohen Temperaturen seine guten mechanischen Eigenschaften nicht verliert. Daher ist es notwendig die Warmfestigkeit der zu verarbeitenden Stähle zu kennen. Um die Warmfestigkeit von Eisen zu erhöhen kommen Legierungselemente wie Cobalt, Molybdän und Vanadium zum Einsatz.

Zerspanbarkeit

Stahl wird oft mit zerspanenden Arbeitsgängen wie Drehen, Bohren oder Fräsen bearbeitet. Daher ist die Zerspanbarkeit eine sehr wichtige Werkstoffeigenschaft. Wichtig für die Zerspanbarkeit sind die Kriterien Verschleiß, Oberflächenbeschaffenheit, Spanform und Zerspanungsdrehmoment bzw. Zerspanungskräfte.

Diese Kriterien sind wichtig um die Schnittdaten des Werkzeuges in Bezug auf Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe abzuleiten.

Zugfestigkeit

Setzt man Werkstoffen einer Spannung durch Zug aus, dann zerreißt oder bricht das Material bei einer bestimmten Krafteinwirkung. Der Maximalwert der Spannung ist die Zugfestigkeit. Um die Zugfestigkeit eines Materials zu ermitteln, werden Zugversuche durchgeführt, aus denen Spannungs-Dehnungs-Diagramme abgeleitet werden. Setzt man Stahl der Zugspannung aus, reißt dieser nicht unbedingt. Allerdings dehnt er sich über seine Zugfestigkeit hinaus, verformt sich und wird spröde.