Duktilität
Duktilität ist eine mechanische Eigenschaft, die allgemein als die Fähigkeit eines Werkstoffs beschrieben wird, sich ziehen zu lassen (z. B. zu Draht). In der Werkstoffkunde wird die Duktilität durch das Ausmaß definiert, in dem ein Material eine plastische Verformung unter Zugspannung aushalten kann, bevor es versagt. Die Duktilität ist ein wichtiger Gesichtspunkt in Technik und Fertigung. Sie bestimmt die Eignung eines Werkstoffs für bestimmte Fertigungsverfahren (z. B. Kaltumformung) und seine Fähigkeit, mechanische Überlastungen aufzunehmen. Zu den Metallen, die allgemein als duktil bezeichnet werden, gehören Gold und Kupfer. Allerdings versagen nicht alle Metalle duktil, da einige wie Gusseisen als spröde bezeichnet werden können. Polymere können im Allgemeinen als duktile Werkstoffe betrachtet werden, da sie in der Regel eine plastische Verformung zulassen. ⓘ
Die Verformbarkeit, eine ähnliche mechanische Eigenschaft, ist durch die Fähigkeit eines Werkstoffs gekennzeichnet, sich unter Druckspannung plastisch zu verformen, ohne zu versagen. In der Vergangenheit wurden Werkstoffe als verformbar angesehen, wenn sie sich durch Hämmern oder Walzen verformen ließen. Blei ist ein Beispiel für ein Material, das relativ formbar, aber nicht dehnbar ist. ⓘ
Prinzipiell gibt es zwei mögliche Prozesse der plastischen Verformung von Kristallen, insbesondere für Metalle, nachdem die Last die Fließgrenze überschritten hat:
- sie verformen sich biegsam, dann werden sie duktil genannt
- sie verformen sich spröde und zerbersten, dann nennt man sie brüchig.
Das Verhalten wird üblicherweise im Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt. ⓘ
Werkstoffkunde
Duktilität ist vor allem in der Metallverarbeitung wichtig, da Werkstoffe, die unter Belastung reißen, brechen oder zerspringen, nicht durch Umformverfahren wie Hämmern, Walzen, Ziehen oder Extrudieren bearbeitet werden können. Verformbare Werkstoffe können durch Stanzen oder Pressen kalt umgeformt werden, während spröde Werkstoffe gegossen oder warmgeformt werden können. ⓘ
Ein hohes Maß an Duktilität ist auf metallische Bindungen zurückzuführen, die vor allem in Metallen vorkommen; dies führt zu der allgemeinen Auffassung, dass Metalle im Allgemeinen duktil sind. In metallischen Bindungen sind die Elektronen der Valenzschale delokalisiert und werden von vielen Atomen gemeinsam genutzt. Die delokalisierten Elektronen ermöglichen es den Metallatomen, aneinander vorbeizugleiten, ohne starken Abstoßungskräften ausgesetzt zu sein, die andere Werkstoffe zum Zerbrechen bringen würden. ⓘ
Die Duktilität von Stahl variiert je nach den Legierungsbestandteilen. Ein höherer Kohlenstoffgehalt verringert die Duktilität. Viele Kunststoffe und amorphe Feststoffe, wie z. B. Play-Doh, sind ebenfalls verformbar. Das dehnbarste Metall ist Platin und das am stärksten verformbare Metall ist Gold. Bei starker Dehnung verformen sich diese Metalle durch Bildung, Umorientierung und Wanderung von Versetzungen und Kristallzwillingen ohne merkliche Verfestigung. ⓘ
Quantifizierung der Duktilität
Die üblicherweise zur Bestimmung der Duktilität in einem Zugversuch verwendeten Größen sind die prozentuale Dehnung (manchmal auch bezeichnet als ) und die Verringerung der Fläche (manchmal als ) beim Bruch. Die Bruchdehnung ist die technische Dehnung, bei der eine Probe während eines einachsigen Zugversuchs bricht. Die prozentuale Dehnung oder die technische Dehnung beim Bruch kann wie folgt geschrieben werden: ⓘ
Die prozentuale Verringerung der Fläche kann wie folgt beschrieben werden: ⓘ
wobei die betreffende Fläche die Querschnittsfläche des Probekörpers ist. ⓘ
Nach Shigley's Mechanical Engineering Design bedeutet eine signifikante Dehnung etwa 5,0 Prozent. ⓘ
Duktil-spröde-Übergangstemperatur
(a) Sprödbruch
(b) Duktiler Bruch
(c) Vollständig duktiler Bruch ⓘ
Metalle können zwei verschiedene Arten von Brüchen erleiden: Sprödbrüche und duktile Brüche. Bei spröden Materialien erfolgt die Bruchausbreitung schneller, da duktile Materialien plastisch verformt werden können. Duktile Werkstoffe können also mehr Spannungen aushalten, da sie vor dem Bruch mehr Energie aufnehmen können als spröde Werkstoffe. Die plastische Verformung führt dazu, dass das Material einer Abwandlung der Griffith-Gleichung folgt, bei der die kritische Bruchspannung aufgrund der plastischen Arbeit zunimmt, die erforderlich ist, um den Riss auszudehnen, und die zu der Arbeit hinzukommt, die zur Bildung des Risses erforderlich ist - eine Arbeit, die der Zunahme der Oberflächenenergie entspricht, die sich aus der Bildung einer zusätzlichen Rissoberfläche ergibt. Die plastische Verformung von duktilen Metallen ist wichtig, da sie ein Anzeichen für ein mögliches Versagen des Metalls sein kann. Der Punkt, an dem das Material ein duktiles Verhalten gegenüber einem spröden Verhalten zeigt, hängt jedoch nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch von der Temperatur, bei der die Spannung auf das Material einwirkt. Die Temperatur, bei der der Werkstoff von spröde zu duktil oder umgekehrt wechselt, ist für die Auslegung von tragenden metallischen Produkten von entscheidender Bedeutung. Die Mindesttemperatur, bei der das Metall von einem spröden Verhalten in ein duktiles Verhalten bzw. von einem duktilen Verhalten in ein sprödes Verhalten übergeht, wird als Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) bezeichnet. Unterhalb der DBTT ist das Material nicht mehr in der Lage, sich plastisch zu verformen, und die Rissausbreitungsrate nimmt rasch zu, was zu einem schnellen Versagen des Materials führt. Darüber hinaus ist die DBTT wichtig, da ein Material, sobald es unter die DBTT abgekühlt ist, viel eher dazu neigt, beim Aufprall zu zerbrechen, anstatt sich zu biegen oder zu verformen (Tieftemperaturversprödung). Die DBTT gibt also die Temperatur an, bei der mit abnehmender Temperatur die Fähigkeit eines Materials, sich duktil zu verformen, abnimmt und damit die Rissausbreitungsrate drastisch zunimmt. Mit anderen Worten: Festkörper sind bei sehr niedrigen Temperaturen sehr spröde, und ihre Zähigkeit nimmt bei höheren Temperaturen stark zu. ⓘ
Für allgemeinere Anwendungen wird eine niedrigere DBTT bevorzugt, um sicherzustellen, dass das Material einen größeren Duktilitätsbereich aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass plötzliche Risse verhindert werden, so dass ein Versagen des Metallkörpers vermieden wird. Es wurde festgestellt, dass der Temperaturbereich, in dem duktiles Verhalten auftritt, umso größer ist, je mehr Gleitsysteme ein Werkstoff aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Gleitsysteme eine größere Bewegung von Versetzungen zulassen, wenn eine Spannung auf das Material einwirkt. Bei Werkstoffen mit einer geringeren Anzahl von Gleitsystemen werden die Versetzungen häufig durch Hindernisse festgehalten, was zu einer Kaltverfestigung führt, die die Festigkeit des Werkstoffs erhöht und das Material spröder macht. Aus diesem Grund sind FCC-Strukturen über einen weiten Temperaturbereich duktil, BCC-Strukturen sind nur bei hohen Temperaturen duktil und HCP-Strukturen sind oft über weite Temperaturbereiche spröde. Dies führt dazu, dass jede dieser Strukturen unterschiedliche Leistungen aufweist, wenn sie sich dem Versagen (Ermüdung, Überlastung und Spannungsrissbildung) bei verschiedenen Temperaturen nähern, und zeigt, wie wichtig die DBTT bei der Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Anwendung ist. Zamak 3 weist beispielsweise bei Raumtemperatur eine gute Duktilität auf, zerspringt aber, wenn es bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt getroffen wird. Die DBTT ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Auswahl von Materialien, die mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Ein ähnliches Phänomen, die Glasübergangstemperatur, tritt bei Gläsern und Polymeren auf, obwohl der Mechanismus bei diesen amorphen Materialien anders ist. Die DBTT hängt auch von der Größe der Körner im Metall ab, da eine geringere Korngröße in der Regel zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit führt, was eine Erhöhung der Duktilität und eine Verringerung der DBTT zur Folge hat. Dieser Anstieg der Zugfestigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die kleineren Korngrößen zu einer Korngrenzenverfestigung im Material führen, bei der die Versetzungen eine größere Spannung benötigen, um die Korngrenzen zu umgehen und sich weiter im Material auszubreiten. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, die DBTT vollständig zu eliminieren, indem die Ferritkörner weiter verfeinert werden, um ihre Größe von 40 Mikron auf 1,3 Mikron zu verringern, so dass es in ferritischem Stahl nie zu einem Sprödbruch kommt (da die erforderliche DBTT unter dem absoluten Nullpunkt liegen würde). ⓘ
Bei einigen Werkstoffen ist der Übergang schärfer als bei anderen und erfordert in der Regel einen temperaturabhängigen Verformungsmechanismus. Bei Werkstoffen mit einem kubisch-raumzentrierten (bcc) Gitter ist die DBTT beispielsweise leicht zu erkennen, da die Bewegung von Schraubenversetzungen sehr temperaturempfindlich ist, da die Umordnung des Versetzungskerns vor dem Gleiten eine thermische Aktivierung erfordert. Dies kann bei Stählen mit einem hohen Ferritgehalt problematisch sein. Dies führte bekanntlich zu schweren Rissen im Rumpf von Liberty-Schiffen in kälteren Gewässern während des Zweiten Weltkriegs und verursachte zahlreiche Schiffbrüche. Die DBTT kann auch durch äußere Faktoren wie Neutronenbestrahlung beeinflusst werden, die zu einer Zunahme der inneren Gitterdefekte und einer entsprechenden Abnahme der Duktilität und Erhöhung der DBTT führt. ⓘ
Die genaueste Methode zur Messung der DBTT eines Werkstoffs ist die Bruchprüfung. In der Regel werden Vierpunkt-Biegeversuche bei verschiedenen Temperaturen an vorgerissenen Stäben aus poliertem Material durchgeführt. Zur Bestimmung der DBTT bestimmter Metalle werden in der Regel zwei Bruchtests verwendet: der Charpy-V-Kerbentest und der Izod-Test. Mit dem Charpy-V-Kerbungsversuch wird die Fähigkeit der Probe zur Aufnahme von Schlagenergie oder die Zähigkeit bestimmt, indem die potenzielle Energiedifferenz gemessen wird, die sich aus der Kollision zwischen einer Masse auf einem frei fallenden Pendel und der maschinell hergestellten V-förmigen Kerbe in der Probe ergibt, was dazu führt, dass das Pendel die Probe durchbricht. Die DBTT wird bestimmt, indem dieser Test bei verschiedenen Temperaturen wiederholt wird und festgestellt wird, wann der resultierende Bruch in ein sprödes Verhalten übergeht, das auftritt, wenn die absorbierte Energie drastisch verringert wird. Die Izod-Prüfung entspricht im Wesentlichen der Charpy-Prüfung, wobei der einzige Unterschied in der Anordnung der Probe besteht: Bei der Izod-Prüfung wird die Probe senkrecht, bei der Charpy-Prüfung waagerecht zur Unterseite der Basis angeordnet. ⓘ
Bei Versuchen, die bei höheren Temperaturen durchgeführt werden, nimmt die Versetzungsaktivität zu. Bei einer bestimmten Temperatur schirmen die Versetzungen die Rissspitze so weit ab, dass die angewandte Verformungsrate nicht mehr ausreicht, damit die Spannungsintensität an der Rissspitze den kritischen Wert für den Bruch (KiC) erreicht. Die Temperatur, bei der dies eintritt, ist die Übergangstemperatur von duktil zu spröde. Werden die Versuche mit einer höheren Dehnungsrate durchgeführt, ist eine stärkere Versetzungsabschirmung erforderlich, um einen Sprödbruch zu verhindern, und die Übergangstemperatur wird erhöht. ⓘ
Glas hat eine sehr niedrige Duktilität, daher bricht es ohne erkennbare Verformung. Baustahl hingegen verformt sich um über 25 %, bevor er reißt. Gold ist so duktil, dass es sich in Form von Blattgold auf eine Dicke von wenigen Atomlagen austreiben lässt. ⓘ
Früher war Duktilität ein Synonym für Schmiedbarkeit. Duktile Stoffe sind gut kalt formbar, z. B. durch Tiefziehen, Biegen oder Recken. Dagegen könnten Werkstoffe, die nur wenig duktil sind, beim Bersten Verletzungen durch umherfliegende Teile verursachen. ⓘ
In der Geologie wird der Begriff für Gesteine insbesondere der unteren kontinentalen Erdkruste verwendet, die sich unter tektonischem Stress nicht spröde, sondern plastisch deformieren. ⓘ
Bei der Prüfung von Bitumen wird eine Probe in ein Duktilometer eingespannt und auseinandergezogen, bis der dabei entstehende Bitumenfaden reißt. Die Länge des Fadens zum Zeitpunkt des Zerreißens wird als Duktilität des Bitumens bezeichnet. Beim polymermodifizierten Bitumen interessiert die Kraftduktilität nach DIN EN 13589. Dabei wird der Bitumenfaden von 30 mm auf 400 mm gestreckt und die Arbeit errechnet, die bei der Streckung von 200 mm auf 400 mm verrichtet wurde. ⓘ
Viele Werkstoffe verlieren bei tiefen Temperaturen, unterhalb der Übergangstemperatur, ihre Duktilität und werden spröde. Aufgrund dieses Verhaltens sind viele Bauwerke (Brücken, Schiffe usw.) zerstört worden. ⓘ
Gefahr durch Duktilität bei elektrischen Klemmstellen
Duktilität des Leiterwerkstoffes ist für endlich mechanisch vorgespannte elektrische Kontaktstellen unerwünscht. Beispielhaft seien Aluminiumleiter genannt. ⓘ
Werden elektrische Kontaktstellen mit Lötzinn verlötet und kommt dabei mechanischer Druck – etwa durch eine Verschraubung – ins Spiel, so kann der Zinnanteil im Lötzinn mit der Zeit ausweichen, so dass die Verbindung lose wird. Diese Gefahr besteht besonders bei verlöteten Litzenleitungen, die in Klemmverbindungen verschraubt werden. Durch das Fließen des Lötzinns nimmt der Übergangswiderstand an der Klemmstelle im Laufe der Zeit zu. Bei hohen Strömen kann dies dazu führen, dass die Klemme- und/oder die Aderisolation durch die hohe Verlustleistung der Klemme schmilzt und ein Kabelbrand entsteht, d. h. die elektrische Verbindung thermisch zerstört wird. Als Abhilfe presst man mit einer Crimpzange Aderendhülsen auf die beiden Litzenleitungen und verbindet sie mit der Klemmverbindung. ⓘ