Was versteht man unter Duktilität von Werkstoffen? Wichtiger Leitfaden für die Fertigung

Bei der Auswahl eines Werkstoffs für eine Anwendung werden dessen chemische Zusammensetzung sowie seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften berücksichtigt. Diese Eigenschaften sind von der Herstellung bis zur Nutzungsdauer relevant. Beispielsweise versagt ein Werkstoff mit rauer Oberfläche aufgrund von Materialermüdung früher als ein Werkstoff mit feiner Oberfläche. Duktilität ist eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs und spielt von der Bearbeitung bis zur Nutzungsdauer eine entscheidende Rolle. Dieser Artikel beleuchtet jeden Aspekt der Duktilität im Detail. Los geht's!

Was ist Duktilität?

Duktilität ist eine mechanische Materialeigenschaft. Jedes Material, ob Metall, Polymer usw., weist diese Eigenschaft auf. Im Grunde beschreibt sie die maximale Verformbarkeit eines Materials. Genauer definiert wird sie als das maximale Dehnungsvermögen. Sie wird in Prozent Dehnung oder Prozent Querschnittsverringerung angegeben.

Kann die Duktilität die Teilefertigung beeinflussen?

Ja, die Duktilität hat einen erheblichen Einfluss auf die Fertigung oder Bearbeitung der Teile. Beispielsweise ist Gummi ein sehr duktiles Material; es zeigt unter Zugspannung eine starke Plastifizierung, lässt sich aber nicht maschinell bearbeiten. Ein Werkstück aus Baustahl hingegen weist eine relativ geringere Duktilität als Gummi auf, ist aber leicht zu bearbeiten.

Die Duktilität beeinflusst also tatsächlich die Fertigung hinsichtlich der Festigkeit des Materials. Ein hochduktiles Material weist eine geringere Festigkeit auf und ist daher schwieriger zu bearbeiten.

Ist Duktilität dasselbe wie Plastizität?

Duktilität und Plastizität sind zwar ähnliche Begriffe, aber nicht genau dasselbe.

• Plastizität bedeutet die bleibende Verformung eines Materials unter Belastung vor dem Bruch. Die Belastung kann Zug- oder Druckbelastung sein.
• Duktilität bezeichnet die maximale Dehnung, die ein Material unter Zugspannung vor dem Bruch aufweist.

Welche Duktilitätswerte sind wichtig?

Die Duktilität hängt von der Materialart und der Umgebung ab. Manche Materialien, wie beispielsweise Gummi, weisen eine hohe Duktilität auf, andere, wie etwa Gusseisen, eine geringe. Betrachten wir also die verschiedenen Duktilitätsgrade genauer:

Was versteht man unter hoher Duktilität?

Eine hohe Dehnung (>20 %) oder Querschnittsverringerung eines Werkstoffs deutet auf eine hohe Duktilität hin. Beispielsweise weist geglühtes Kupfer eine Duktilität von ca. 40 % und Baustahl von 25 % auf; beide sind daher sehr duktile Werkstoffe. Ihre Duktilität steigt mit zunehmender Temperatur sogar noch weiter an.

Was versteht man unter geringer Duktilität?

Weist ein Werkstoff eine Duktilität von unter 5 % auf, gilt er als weniger duktil. Ein Beispiel hierfür ist Gusseisen. Es besitzt eine hohe Festigkeit, zeigt aber nur geringe plastische Verformung. Seine Einschnürung ist im Vergleich zu hochduktilen Werkstoffen nicht sehr ausgeprägt.

Hohe Duktilität vs. niedrige Duktilität

Die folgende Tabelle fasst kurz alle Unterschiede zwischen hoher und niedriger Duktilität zusammen:

Worin besteht der Unterschied zwischen Verformbarkeit und Duktilität?

Beide Eigenschaften sind miteinander verwandt und für die Fertigung von Bedeutung. In beiden Konzepten verformt sich das Material unter Belastung. Es gibt jedoch bestimmte unterschiedliche Parameter für beide Konzepte:

Stresstyp

Zur Erzielung von Duktilität wird Zugspannung angelegt. Das Material verformt sich unter Zugspannung bis zum Bruch.

Zur Erzielung der Verformbarkeit wird eine Druckspannung angelegt, und das Material verformt sich ohne leichte Rissbildung.

Materialverhalten

Der größte Unterschied zwischen Verformbarkeit und Duktilität liegt in der Einschnürung. Unter Zugspannungen tritt Einschnürung auf, unter Druckspannung hingegen nicht. Weitere Unterschiede im Verhalten sind:

Testmethode

Die Duktilität wird anhand von drei Parametern geprüft:

• Zugversuch
• Messung der prozentualen Dehnung
• Messung der prozentualen Flächenreduktion

Die Formbarkeit wird unter anderem wie folgt geprüft:

• Hämmern
• Wenden
• Schmieden

Bei allen Versuchen werden Druckspannungen angewendet.

Anwendungsfokus

In praktischen Anwendungen verhindert die Duktilität das Brechen des Werkstücks während des Bearbeitungsprozesses. Sie ist wichtig für Drähte, Konstruktionen und Kabel.

Die Verformbarkeit ist für die Umformbarkeit von Werkstoffen wichtig. Sie ist beim Blechumformen und Walzen erforderlich.

Duktilität im Vergleich zu anderen Eigenschaften

Ein Werkstoff weist unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf, wie z. B. Festigkeit und Zähigkeit. Diese Eigenschaften bestimmen sein Verhalten unter Belastung und im praktischen Einsatz. In diesem Abschnitt werden diese Eigenschaften im Hinblick auf die Duktilität der Werkstoffe eingehend erörtert.

Duktilität vs. Festigkeit

Festigkeit beschreibt den Widerstand eines Materials gegen Bruch unter Belastung. Sie variiert je nach Material und hängt von den Einsatzbedingungen ab. Ein Material mit hoher Duktilität weist eine geringere Festigkeit auf und umgekehrt. Keramik beispielsweise besitzt eine sehr hohe Festigkeit, ist aber nicht duktil, weshalb sie plötzlich bricht.

Duktilität vs. Sprödigkeit

Die Sprödigkeit eines Materials verhindert dessen plastische Verformung. Duktilität und Sprödigkeit sind gegensätzliche Eigenschaften. Glas ist beispielsweise ein sprödes Material. Wird eine Zugkraft auf es ausgeübt, verformt es sich nicht, sondern bricht plötzlich. Auf dem Bild ist deutlich zu erkennen, dass das linke Material unter Verformung bricht, während das rechte Material ohne Verformung bricht.

Duktilität vs. Härte

Härte ist der Widerstand gegen Kratzer , Verschleiß oder Durchdringung. Im Allgemeinen deutet hohe Härte auf geringe Duktilität hin und umgekehrt. Bauteile aus harten Werkstoffen wie Wolfram weisen zwar eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf, sind aber nicht duktil. Ihre Bruchdehnung beträgt weniger als 1 % der Gesamtlänge.

Duktilität vs. Zähigkeit

Duktilität und Zähigkeit sind relevante Materialeigenschaften. Duktile Werkstoffe weisen in der Regel eine höhere Zähigkeit auf. Zähigkeit ist die Fähigkeit, Energie vor dem Bruch aufzunehmen. Das bedeutet, dass Bauteile aus zähen Metallen wie Maraging-Stahl eine hohe Schlagfestigkeit aufweisen.

Wie man die Duktilität misst

Die Duktilität eines Materials kann anhand zweier Parameter gemessen werden: entweder durch die prozentuale Dehnung oder die Querschnittsverringerung. In beiden Fällen deuten höhere Werte auf eine höhere Duktilität hin.

Prozentuale Dehnung

Duktilitätsformel:

Duktilität (% Dehnung) = (L _f −L _o ) / L _o ×100

Dabei steht:

• L_o ist die ursprüngliche Länge
• L_f ist die endgültige Länge

Prozentuale Flächenreduzierung

RA (%) = (A ₀ −A _f )/ A ₀ ×100

Dabei steht:

• RA ist die Flächenreduktion
• A₀ ist das ursprüngliche Gebiet
• A_fist der letzte Bereich

Welche Faktoren können die Duktilität beeinflussen?

Viele Faktoren beeinflussen die mechanischen Eigenschaften, zum Beispiel die Materialzusammensetzung, die Einsatzumgebung usw.

Materialzusammensetzung

Die Zusammensetzung eines Materials ist der wichtigste Parameter, der seine Eigenschaften bestimmt. In Stählen beispielsweise ist Kohlenstoff ein interstitielles Element. Er besetzt Zwischengitterplätze und behindert die Versetzungsbewegung, wodurch die plastische Verformung und somit die Duktilität reduziert wird.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur eines Bauteils bezeichnet dessen Struktur.

• Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Duktilität:

Duktilität bedeutet plastische Verformung. Plastische Verformung tritt auf, wenn sich Körner bewegen oder übereinander gleiten. Ein Bauteil aus geglühtem Stahl ist aufgrund seiner grobkörnigen Struktur duktil. Durch die großen Körner verringert sich die Anzahl der Korngrenzen, wodurch das Gleiten erleichtert wird und plastische Verformung stattfindet. Kurz gesagt: Ein Werkstoff mit großen Körnern weist eine hohe Duktilität auf.

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung beeinflusst die Duktilität entlang der Korngrenzen.

• Zusammenhang zwischen Wärmebehandlung und Duktilität

Unterschiedliche Wärmebehandlungen wie Glühen, Normalisieren oder Abschrecken führen zu unterschiedlichen Kornstrukturen. Beim Abschrecken entsteht beispielsweise eine sehr feine und ungeordnete Kornstruktur. Aufgrund der vielen Korngrenzen können sich die Körner in dieser Struktur nicht gegeneinander verschieben, was zu geringer plastischer Verformung und somit zu einer niedrigeren Duktilität führt.

Temperatur

Das Konzept der Temperatursteuerung der Duktilität durch die Körner. Bei hohen Temperaturen nehmen die Diffusion von Atomen und die Bewegung der Körner zu, wodurch die Duktilität eines Metalls erhöht wird.

Ladegeschwindigkeit

Die Belastungsgeschwindigkeit beeinflusst die Duktilität über die Versetzungen. Bei hoher Belastungsgeschwindigkeit haben die Versetzungen beispielsweise nicht genügend Zeit, sich zu stabilisieren, und verhaken sich daher. Diese Verhakung führt zu einer reduzierten plastischen Verformung und somit zu einer Verringerung der Duktilität.  

Duktilität gängiger technischer Werkstoffe

Da sich jedes Material aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur unterscheidet, weist es auch unterschiedliche Duktilitätsgrade auf. Im Folgenden geben wir einen kurzen Überblick über die Duktilität einiger gängiger technischer Werkstoffe.

Welche Metalle weisen eine hohe Duktilität auf?

• Die FCC-Metalle, wie Gold, Kupfer und Aluminium, besitzen 12 aktive Gleitebenen, die eine einfache Versetzungsbewegung ermöglichen.
• Metalle mit einem geringeren Anteil an Legierungselementen weisen eine höhere Duktilität auf, da ein geringer Anteil an Legierungselementen eine leichtere Versetzungsbewegung bedeutet.
• Metalle mit ungerichteter metallischer Bindung weisen eine hohe Duktilität auf.

Kupfer (Cu)

Kupfer ist ein kubisch-flächenzentriertes Metall (kfz), das sich leicht verformen und dehnen lässt. Daher wird Kupfer häufig zur Herstellung von Kupferdrähten verwendet. Dieses Material widersteht starker plastischer Verformung ohne zu brechen. Beim Durchführen eines Kupferstabs durch die Düse zur Herstellung haardünner Drähte bewegen sich Versetzungen leicht.

Aluminium und Aluminiumlegierungen (Al)

Reines Aluminium ist ein sehr duktiler Werkstoff (Dehnung > 40 %), doch bei Aluminiumlegierungen wie 6061 T6 ist die Duktilität gering. Um die Festigkeit der Legierung 6061 T6 zu erhöhen, wird eine Wärmebehandlung, d. h. eine Ausscheidungshärtung, durchgeführt. Da diese Ausscheidungen die Versetzungsbewegung behindern, steigt die Festigkeit, die Duktilität nimmt jedoch ab.

Rostfreier Stahl

Austenitischer Edelstahl, z. B. 316, ist aufgrund seiner kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur ein duktiler Werkstoff. 316-Stahl lässt sich gut bearbeiten und verträgt hohe plastische Verformungen. Ferritischer Edelstahl, z. B. 430, weist hingegen aufgrund seiner kubisch-raumzentrierten (krz) Struktur eine geringere Dehnung auf.

Welche Metalle weisen eine geringe Duktilität auf?

Die meisten kubisch-raumzentrierten (krz) und hexagonal-dichtest gepackten (hdp) Metalle weisen keine oder nur sehr geringe Duktilität auf und versagen spröde. Wolfram beispielsweise ist ein krz-Metall mit der geringsten Duktilität. Um Versetzungen zu bewegen, ist eine sehr hohe Spannung erforderlich, was zu einem spröden Bruch mit minimaler plastischer Verformung führt. Weitere Metalle mit geringerer Duktilität sind:

• Gusseisen Kochgeschirr
• Gehärteter hochkohlenstoffhaltiger Stahl

Besitzen technische Kunststoffe Duktilität?

Ja, aber es besteht ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität. Zu diesen technischen Kunststoffen gehören:

• Nylon (PA6/PA66)
• Polycarbonat (PC)
• ABS
• PEEK
• POM

Die Festigkeit dieser Materialien beruht auf ihrer Kristallstruktur. Bei Belastung verhaken sich die Polymerketten und verhindern weitere Kettenbewegungen, was zu einer Verringerung der Duktilität führt.

Wie beeinflusst die Duktilität die CNC-Bearbeitung?

Hochduktile Werkstoffe sind leicht zu verformen, verhalten sich aber bei der maschinellen Bearbeitung hinsichtlich Spanbildung, Werkzeugverschleiß und Oberflächengüte unterschiedlich.

Spanbildung

Da duktile Werkstoffe nicht leicht brechen, entstehen bei der CNC-Bearbeitung lange, durchgehende Späne. Beispielsweise entstehen bei der CNC-Bearbeitung von Baustahl lange Späne.

Werkzeugverschleiß

Die langen Späne der duktilen Werkstücke sammeln sich aufgrund von Druck und Temperatur an den Schneidkanten und bilden eine Aufbauschneide. Dies führt zu Werkzeugverschleiß.

Oberflächenfinish

Die CNC-Bearbeitung von duktilen Werkstoffen wie Aluminium führt bei Verwendung geeigneter Werkzeuge, Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit zu einer sehr glatten Oberfläche. Ein weiterer Grund für die sehr glatte Oberfläche ist der kontinuierliche plastische Materialfluss.

Welche Bauteile benötigen am meisten hohe bzw. niedrige Duktilität?

Die Duktilität von Bauteilen hängt von den Anforderungen an Tragfähigkeit, Geometrie und Struktur ab. So ist beispielsweise der Duktilitätsgrad bei dünnen und dicken Bauteilen unterschiedlich.

Dünnwandige Teile

Dünnwandige Bauteile, wie beispielsweise Aluminiumbleche, sind bei der Bearbeitung, Umformung oder im Betrieb hohen Spannungskonzentrationen ausgesetzt. Um Risse zu vermeiden, ist bei dünnwandigen Bauteilen eine hohe Duktilität erforderlich.

Komplexe Teile

Komplexe Bauteile, wie beispielsweise Aluminiumbauteile für die Luft- und Raumfahrt, weisen Nuten und scharfe Kanten auf. Diese Nuten und scharfen Kanten wirken als Spannungskonzentrationen während der Bearbeitung und im Betrieb. Um Risse und Ausfälle zu vermeiden, ist eine höhere Duktilität erforderlich.

Lasttragende Teile

Tragende Bauteile benötigen bei Zug-, Biege- oder dynamischer Belastung eine hohe Duktilität. Bei dicken, druckbeanspruchten Bauteilen mit einfacher Geometrie ist hingegen Festigkeit wichtiger als hohe Duktilität.

Fazit

Duktilität ist eine mechanische Materialeigenschaft, die in prozentualer Dehnung und prozentualer Querschnittsverringerung gemessen wird. Zur Bestimmung dieser Eigenschaft wird hauptsächlich der Zugversuch eingesetzt. Duktile Werkstoffe lassen sich leicht verformen und bearbeiten. Meistens sind kubisch-flächenzentrierte (kfz) Metalle duktil und weisen eine hohe plastische Verformung auf. Bei der CNC-Bearbeitung erzeugen duktile Werkstoffe lange Späne, jedoch eine sehr glatte Oberfläche. Dünnwandige und komplexe Bauteile erfordern hohe Duktilität, während bei tragenden Bauteilen Festigkeit wichtiger ist als Duktilität.

In der praktischen Fertigung kann die Duktilität die Funktionen der Teile direkt beeinflussen. Tuofa bietet CNC-Lösungen für kundenspezifische Teile sowie Vorschläge für ideale Bearbeitungs- oder Prototypenmaterialien, damit Ihre Teile ihre Funktionen optimal erfüllen.

FAQ

Ist Duktilität eine mechanische Eigenschaft?

Ja, Duktilität ist eine mechanische Eigenschaft. Sie ist wichtig für die Auswahl von Werkstoffen und die Bearbeitung von Bauteilen.

Warum erhöht Warmumformung die Duktilität?

Denn bei hohen Temperaturen nimmt die Diffusion der Atome zu. Dadurch werden Versetzungsbewegungen sehr leicht, weshalb die Duktilität zunimmt.

Verringert Kaltverformung die Duktilität?

Ja, denn Kaltverformung führt zu einer Vermehrung der Korngrenzen. Diese Korngrenzen behindern die Versetzungsbewegung, wodurch die Duktilität verringert wird.

Verringert Kaltverfestigung die Duktilität?

Ja, denn nach der Kaltverfestigung schränken die verhakten Korngrenzen die Bewegung der Korngrenzen ein.