Definition und schematische Darstellung
Auf atomarer Ebene beschreibt Duktilität die Verformung der Kristallstruktur unter Krafteinwirkung. Kräfte in Normalrichtung bewirken ein Abscheren der Gitterebenen (oder Monolagen) eines Materials. Das Material fließt quasi auseinander.
Das Gegenteil ist Sprödigkeit, die Werkstoffe unter Belastung schnell brüchig werden lässt. Bei spröden Werkstoffen trennen sich die Gitterebenen leicht voneinander, ohne dass sich die Kristallstruktur verändert. Es kommt zum Sprödbruch.
Am besten lässt sich Duktilität an verschiedenen Brucharten veranschaulichen – siehe Abbildung.
Externe Einflussfaktoren auf die Duktilität
Externe Bedingungen haben einen großen Einfluss auf die Duktilität eines Werkstoffes. Das gilt vor allem für die Geschwindigkeit der Belastung während des Betriebs. Aber auch die Temperatur kann entscheidend sein.
Beispielsweise besitzen unlegierte und niedriglegierte Stähle oder Chrom und Molybdän bei hohen Temperaturen eine ausreichend hohe Duktilität, werden aber bei tiefen Temperaturen spröde. Hingegen bieten austenitische Stähle, Kupfer und Nickel sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen eine hohe Duktilität.
Diese Aspekte müssen in der Konstruktion unbedingt berücksichtigt werden, sonst können Extremtemperaturen oder Belastungsspitzen schnell schwerwiegende Konsequenzen nach sich ziehen – vor allem bei Bauwerken oder Fahrzeugen.
Werkstoffarten nach Duktilität
Anhand der Duktilität lassen sich drei wesentliche Werkstoffarten unterscheiden.
Ausschlaggebend ist der Grad der Verformbarkeit bis zur Bruchdehnung A.
| Spröde Werkstoffe A ≤ 0,1 % | Duktile Werkstoffe A ≈ 10 % | Superplastische Werkstoffe A ≈ 1000 % |
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|---|---|---|---|
| Verhalten unter Belastung | Spröde Werkstoffe bieten eine hohe Härte und Bruchfestigkeit, aber geringe Zähigkeit. Kommt es zum Bruch, entsteht dieser ohne Vorwarnung, weil sich das Material zuvor nicht dehnt. | Duktile Werkstoffe halten hohe Belastungen aus und verformen sich, bevor sie versagen oder Bruch entsteht. | Superelastische Werkstoffe lassen sich unter geringen Belastungen sehr stark verformen. Während der Formgebung verändert sich die Kristallstruktur. Dadurch lassen sich sehr komplexe Formen verwirklichen. |
| Beispiele | Gusseisenlegierungen | Legierungen und Metalle wie Kupfer, Aluminium, Stahl | Spezielle feinkörnige Legierungen |
| Anwendungen | Spezifische Einsatzgebiete, bei denen eine hohe Härte gefordert ist – zum Beispiel im Maschinenbau. | Breite Anwendung in der Bau-, Elektro- und Automobilindustrie. | Für hochpräzise Fertigungsprozesse in der Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik. |
Betonstahl und Stahlbeton
Stahl beeinflusst die Duktilität von Beton positiv. Aus diesem Grund wird Stahlbeton bei vielen Bauwerken eingesetzt. Stahlbeton ist ein Verbundwerkstoff aus Beton und Betonstahl. Beide Komponenten werden auf der Baustelle mittels Zement verklebt. Betonstahl ist in verschiedenen Duktilitätsklassen verfügbar.
| Duktiliätsklasse A | Duktiliätsklasse B | Duktiliätsklasse C | |
|---|---|---|---|
| Eigenschaften | normalduktil | hochduktil | sehr hoch duktil (Erdbebenstahl) |
| Beispiele | Betonstahlmatten, Betonstahl in Ringen kaltgerippt, Gitterträger, Bewehrungsdraht glatt und profiliert | Betonstabstahl, Betonstahl in Ringen warmgewalzt | Betonstabstahl, Betonstahl in Ringen warmgewalzt |
Beispiel elektrische Klemmstellen
Duktilität kann auch zum Problem werden – so zum Beispiel bei Lötzinn, das zur Verbindung elektrischer Klemmstellen genutzt wird. Wird durch eine Verschraubung Druck aufgebaut, gibt das duktile Lötzinn auf Dauer nach. Dadurch wird die Verbindung locker und der Widerstand an der Klemmstelle steigt.
Im Ernstfall kann es dadurch bei hohen Stromstärken zu Kabelbrand kommen, weil die Isolation schmilzt. Um diesem Problem vorzubeugen, können stattdessen Aderendhülsen verwendet werden, um die Litzenleitungen und die Klemmverbindung zu stabilisieren.
Wie wird Duktilität gemessen?
Der Grad der Duktilität ist ausschlaggebend, um die Eignung für bestimmte Anwendungen zu bestimmen. In der Metallverarbeitung kann die Duktilität per Zugversuch an der Zugprüfmaschine gemessen werden. Dafür wird eine Probe des Werkstoffs steigender Zugkraft ausgesetzt. Dann wird die Dehnung gemessen, welche die Probe erreicht, bevor sie bricht.
