Die Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zug plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Die Verformbarkeit (Malleabilität) ist die Fähigkeit, sich unter Druck plastisch zu verformen, ohne zu brechen.
Duktilität und Verformbarkeit sind zwei oft als Synonyme verwendete Begriffe. In Wirklichkeit beschreiben sie zwei unterschiedliche Verhaltensweisen desselben Phänomens: die Fähigkeit eines Metalls, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Der Unterschied betrifft die Richtung der Verformung, und ihn zu verstehen ist keine bloße theoretische Übung: er hat direkte Konsequenzen für die Materialwahl, die Bearbeitbarkeit und das Verhalten der Komponente im Betrieb.
Dieser Leitfaden erklärt, was Duktilität und Verformbarkeit sind, welche die Unterschiede sind, wie sie gemessen werden, welche Metalle duktiler und verformbarer sind und warum diese Werte bei der Konstruktion von CNC-bearbeiteten Komponenten wichtig sind. Die angegebenen Werte beziehen sich auf die für die Online-CNC-Bearbeitung bei Weerg verfügbaren Materialien und auf die 3D-Druck-Materialien unserer Palette.
Die Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zugbeanspruchung plastisch zu verformen, ohne zu brechen. In der Praxis ist es die Eigenschaft, die es ermöglicht, ein Metall zu ziehen, bis es durch Drahtziehen in einen dünnen Draht verwandelt wird, es vor dem Bruch zu dehnen und im Betrieb Verformungen aufzunehmen, ohne plötzlich nachzugeben.
Ein duktiles Metall, das Zug ausgesetzt wird, dehnt sich progressiv und bildet eine Einschnürung, das heißt eine Verengung des Querschnitts, bevor es bricht. Ein sprödes Metall hingegen bricht abrupt, ohne merkliche Verformungen oder deutliche Signale.
Die Duktilität:
Die Duktilität wird durch den Zugversuch gemäß ISO 6892-1 für die Metalle und ASTM E8/E8M gemessen, unter Verwendung zweier komplementärer Parameter.
Bruchdehnung (A%)
Sie gibt die prozentuale plastische Verformung an, die am Prüfkörper nach dem Bruch gemessen wird. Ein Stahl S235 mit A% = 26, zum Beispiel, hat sich um 26% gedehnt, bevor er gebrochen ist. Je höher der Wert von A% ist, desto größer ist die Duktilität des Materials.
Brucheinschnürung (Z%)
Sie gibt die prozentuale Verringerung des Querschnitts in der Bruchzone an und misst die Verformung in Querrichtung. Ein Z%-Wert von 60% bedeutet, dass sich der Querschnitt vor dem Bruch um 60% verringert hat. Im Vergleich zu A% ist sie ein Indikator, der empfindlicher gegenüber der metallurgischen Qualität des Materials ist.
Die beiden Parameter sind komplementär: A% misst, wie sehr sich das Material dehnt, während Z% misst, wie sehr es sich verengt. Beide beschreiben die Fähigkeit des Metalls, sich plastisch zu verformen, aber aus unterschiedlichen Perspektiven.
Die Verformbarkeit ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Druckbeanspruchung plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Es ist die Eigenschaft, die es ermöglicht, ein Metall zu quetschen, bis es durch Walzen in ein dünnes Blech verwandelt wird, oder es zu hämmern, zu schmieden und zu prägen.
Ein verformbares Metall kann in immer dünnere Bleche reduziert werden, ohne zu reißen. Gold ist das verformbarste Metall: es kann in Blätter mit einer Stärke von unter 0,1 µm verwandelt werden.
Die Verformbarkeit:
Im Unterschied zur Duktilität ist die Verformbarkeit nicht durch einen universellen genormten Parameter definiert, der mit der Bruchdehnung vergleichbar wäre. In der Praxis wird sie durch verschiedene Prüfungen bewertet.
Druckversuch
Ein zylindrischer Prüfkörper wird zusammengedrückt und man misst die erreichte Verformung vor dem Auftreten von Rissen an den Rändern. Je größer die ohne Risse ertragene Verformung, desto größer die Verformbarkeit des Materials.
Stauchversuch (Upset Test)
Es ist eine Variante des Druckversuchs, die zur Bewertung der Schmiedbarkeit verwendet wird. Die Probe wird bis zu einer vordefinierten Reduzierung der Höhe zusammengedrückt, typischerweise um 50% oder 75%, wobei überprüft wird, dass keine Risse auftreten.
Reduktionsverhältnis beim Walzen
In der industriellen Praxis kann die Verformbarkeit auf Grundlage der durch Walzen ohne Rissbildung erreichbaren Mindeststärke oder der pro Durchgang erzielbaren prozentualen Reduzierung bewertet werden.
Biegeversuch
Ein flacher Prüfkörper wird um einen Dorn mit definiertem Radius gebogen und man überprüft das eventuelle Auftreten von Rissen. Der Mindestbiegeradius ohne Rissbildung liefert einen praktischen Hinweis auf die Fähigkeit des Materials, sich zu verformen, ohne zu brechen.
Die beiden Konzepte sind eng verbunden, weil beide die Fähigkeit eines Materials beschreiben, sich plastisch zu verformen, aber sie deuten auf unterschiedliche Verhaltensweisen hin.
| Aspekt | Duktilität | Verformbarkeit |
|---|---|---|
| Beanspruchungsart | Zug | Druck |
| Verformung | Dehnung, Querschnittsverringerung | Abflachung, Verbreiterung |
| Typischer Industrieprozess | Drahtziehen, Extrusion, Tiefziehen | Walzen, Schmieden, Prägen |
| Standardmessung | A% und Z% im Zugversuch | Druck, Stauchung, Biegung |
| Beispiel | Kupfer ist sehr duktil und kann zu dünnen Drähten gezogen werden | Blei ist sehr verformbar und verformt sich leicht durch Druck |
Der Schlüsselpunkt ist, dass Duktilität und Verformbarkeit nicht notwendigerweise zusammenfallen. Die meisten Strukturmetalle, wie weiche Stähle, Aluminium und Kupfer, weisen beide Eigenschaften auf, aber in unterschiedlichem Maße.
Der physikalische Grund ist, dass die Verformungs- und Bruchmechanismen auf kristalliner Ebene unterschiedlich auf den Spannungszustand reagieren. Unter Druck neigen Risse, Porositäten und innere Defekte dazu, sich zu schließen, wodurch das Material größere Verformungen ertragen kann. Unter Zug hingegen begünstigen dieselben Defekte die Bildung und die Ausbreitung der Risse und begrenzen die Verformung vor dem Bruch.
Verschiedene Faktoren bestimmen die Duktilität und die Verformbarkeit eines Metalls. Sie zu kennen hilft, sein Verhalten während der Bearbeitung und im Betrieb vorherzusagen.
Metalle mit KFZ-Struktur (kubisch-flächenzentriert), wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Gold, Silber und austenitische Stähle, sind im Allgemeinen sehr duktil und verformbar, weil sie über zahlreiche Gleitsysteme verfügen, entlang derer sich die Versetzungen leicht bewegen können.
Die KRZ-Metalle (kubisch-raumzentriert), wie α-Eisen, Chrom, Wolfram und Molybdän, haben ein temperaturempfindlicheres Verhalten. Viele Materialien mit dieser Struktur können bei niedrigen Temperaturen einen Spröd-Duktil-Übergang aufweisen, mit einer starken Verringerung der Zähigkeit und der Verformbarkeit.
Die HDP-Metalle (hexagonal dichtest gepackt), wie Magnesium, Zink und α-Titan, verfügen über weniger bei Raumtemperatur aktive Gleitsysteme und sind im Allgemeinen weniger verformbar. Ihre Bearbeitbarkeit verbessert sich mit steigender Temperatur erheblich.
Im Allgemeinen nehmen Duktilität und Verformbarkeit mit der Temperatur zu, weil die Bewegung der Versetzungen leichter wird und weitere Verformungsmechanismen aktiviert werden.
Das Warmschmieden nutzt genau dieses Prinzip. Stahl bei etwa 1.100 °C ist viel verformbarer als bei Raumtemperatur, während viele Titanlegierungen bei hohen Temperaturen umgeformt werden, um ihre Bearbeitung zu erleichtern.
Ferritische Stähle können mit sinkender Temperatur einen Übergang von duktil zu spröde aufweisen. Die Schwelle hängt von Zusammensetzung, Mikrostruktur, Stärke und Verformungsgeschwindigkeit ab. Für kryogene Anwendungen werden oft austenitische Stähle verwendet, deren KFZ-Struktur eine gute Zähigkeit auch bei sehr niedrigen Temperaturen beibehält.
Bei den Stählen neigt die Zunahme des Kohlenstoffgehalts dazu, die Duktilität zu verringern und Festigkeit und Härte zu erhöhen. Auch die Legierungselemente können die Bewegung der Versetzungen behindern, obwohl ihre Wirkung von der Zusammensetzung und der erzielten Mikrostruktur abhängt.
Die Wärmebehandlungen verändern die Verformbarkeit tiefgreifend. Ein geglühter Stahl ist im Allgemeinen duktiler als dasselbe gehärtete und angelassene Material, während eine überwiegend nicht angelassene martensitische Struktur eine hohe Härte, aber eine sehr reduzierte Duktilität aufweist.
Die Verformungsgeschwindigkeit kann die Duktilität erheblich beeinflussen. Bei vielen Metallen begünstigen sehr schnelle Beanspruchungen wie Stöße und Aufpralle ein weniger duktiles Verhalten im Vergleich zu den quasistatischen Prüfungen, obwohl die Wirkung in Abhängigkeit vom Material und von der Temperatur variiert.
Für Anwendungen, die Stößen ausgesetzt sind, beschreiben daher die in den technischen Datenblättern angegebenen, mit quasistatischen Prüfungen erhaltenen Werte nicht immer vollständig das reale Verhalten.
Nichtmetallische Einschlüsse, Porositäten, Segregationen und Oberflächendefekte können als Bruchauslösungspunkte wirken und Duktilität und Verformbarkeit verringern. Bei gleicher Zusammensetzung weist ein Stahl mit größerer metallurgischer Reinheit im Allgemeinen eine bessere Fähigkeit auf, sich zu verformen, ohne zu brechen.
| Metall / Legierung | Indikatives A% | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Reines Gold | 45-50 | Außergewöhnlich duktil und verformbar |
| Reines Kupfer (Cu-ETP) | 30-50 | Standard für Leitfähigkeit und Duktilität |
| Reines Silber | 40-50 | Duktil, in Schmuck und Elektronik verwendet |
| Platin | 35-45 | Duktil, kostspielig |
| Austenitischer Edelstahl (304) | 35-60 | Unter den duktilsten Stählen |
| Reines Aluminium | 35-45 | Duktil, aber geringe mechanische Festigkeit |
| Aluminium 5083 H111 | 14-22 | Duktile Strukturlegierung |
| Aluminium 6082-T6 | 6-12 | Wärmebehandelt, weniger duktil |
| Stahl S235 | 10-26 | Standard-Baustahl |
| Stahl S355 | 20-22 | Fester, leicht weniger duktil |
| Titan Gr2 | 24-30 | Kommerziell rein, gute Duktilität |
| Titan Gr5 (Ti6Al4V) | 10-15 | Hochfeste Legierung, weniger duktil |
| Messing CW508L (CuZn37) | 15-45 | Breiter Bereich, hängt vom Zustand ab |
| Stahl 42CrMo4 vergütet | 12-16 | Hohe Festigkeit, moderate Duktilität |
| Kugelgraphitguss EN-GJS-500-7 | 7-10 | Duktil für ein Gusseisen |
| Wolfram | 2-4 | Spröde bei Raumtemperatur |
| Grauguss EN-GJL-250 | < 1 | Praktisch spröde |
Es existiert keine standardisierte Skala, die der für die Duktilität verwendeten entspricht. Für die reinen Metalle ist eine indikative Reihenfolge der Verformbarkeit die folgende.
Gold, kann in Blätter mit einer Stärke von unter 0,1 µm geschlagen werden
Silber, leicht in sehr dünne Blätter reduzierbar
Aluminium, hochgradig walzbar und für Folien von wenigen Mikrometern verwendet
Kupfer, leicht walzbar und schmiedbar
Zinn, sehr verformbar und historisch zur Produktion dünner Metallfolien verwendet
Blei, sehr verformbar dank der geringen Verformungsbeständigkeit
Zink, bei Raumtemperatur wenig verformbar, aber verformbarer um 100 und 150 °C
Eisen und weiche Stähle, leicht schmiedbar und walzbar
Nickel, duktil und verformbar, vor allem im geglühten Zustand
Titan, bei Kälte schwieriger zu verformen, aber bei Wärme viel besser bearbeitbar
Die Verformbarkeit variiert erheblich mit der Temperatur. Ein bei Raumtemperatur wenig verformbares Material kann während der Warmbearbeitung viel verformbarer werden.
Für den Konstrukteur sind Duktilität und Verformbarkeit keine abstrakten Eigenschaften: sie beeinflussen direkt das strukturelle Verhalten und die Bearbeitbarkeit der Komponente.
Eine mit einem duktilen Material realisierte Komponente kann sich vor dem Bruch erheblich verformen und ein deutliches Signal der Überlastung liefern. Ein sprödes Material hingegen kann mit sehr begrenzten Verformungen versagen. Deshalb sehen viele Strukturnormen Mindestanforderungen an die Duktilität vor, zusätzlich zu denen der Festigkeit.
Für die Baustähle tragen Werte wie die Bruchdehnung A% und das Verhältnis zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze Rm/Re dazu bei, die Fähigkeit des Materials zu definieren, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen. Die erforderlichen Werte hängen von der Güte, der Stärke und der anwendbaren Norm ab.
In einer statisch unbestimmten Struktur können sich die am stärksten beanspruchten Zonen plastifizieren und einen Teil der Last zu den weniger beanspruchten umverteilen. Dieses Verhalten erfordert eine ausreichende Duktilität. Bei den spröden Materialien hingegen ist die Umverteilungsfähigkeit viel begrenzter und ein lokaler Bruch kann sich rasch ausbreiten.
Duktilität und Verformbarkeit beeinflussen die Bearbeitbarkeit durch plastische Verformung, also Vorgänge wie Biegen, Tiefziehen, Prägen, Schmieden und Drahtziehen. Ein ausreichend duktiles Metall kann gebogen oder tiefgezogen werden, ohne Risse zu entwickeln, während eine gute Verformbarkeit Walzen und Schmieden erleichtert.
Der Mindestbiegeradius, grundlegend bei der Konstruktion der Bleche, hängt auch von der Duktilität ab. Ein Edelstahl 304, sehr duktil, kann im Allgemeinen mit engeren Radien gebogen werden als eine Aluminiumlegierung 7075 T6, die erheblich weniger verformbar ist.
Bei den Anwendungen, wo die Komponente Energie absorbieren muss (Schutzelemente, Stoßfänger, Crash-Boxen, Leitplanken), ist die Duktilität grundlegend. Die absorbierte Energie entspricht der Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve und hängt daher von der Kombination zwischen mechanischer Festigkeit und der Fähigkeit des Materials ab, sich vor dem Bruch zu verformen.
Die Duktilität beeinflusst auch die Bearbeitbarkeit an den Werkzeugmaschinen, aber nicht immer auf günstige Weise. Sehr duktile Materialien, wie reines Kupfer und Aluminium, neigen dazu, lange und kontinuierliche Späne zu erzeugen, die sich um das Werkzeug wickeln und die Oberflächenqualität verschlechtern können. Grauguss hingegen erzeugt im Allgemeinen kurze und leicht abführbare Späne.
Zu den Materialien mit guter CNC-Bearbeitbarkeit gehören jene, deren Zusammensetzung und Mikrostruktur das Brechen des Spans begünstigen, wie die Messinge, die Automatenstähle und verschiedene Bearbeitungs-Aluminiumlegierungen (Serien 2xxx und 6xxx, T6-behandelt).
Zum Beispiel ist für ein gefrästes Teil das Aluminium 6082-T6 oft die ausgewogenste Wahl, wenn Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Kosten zählen: es ist für Halterungen, Platten, Auflagen, Gehäuse und generische mechanische Komponenten geeignet.
Das Aluminium 7075-T6 ist vorzuziehen, wenn die Komponente das Verhältnis Festigkeit/Gewicht maximieren oder höhere Lasten und Ermüdungszyklen tragen muss, zum Beispiel bei Luft- und Raumfahrt- und Hochleistungs-Maschinenbauteilen. Es bietet überlegene mechanische Leistungen, kostet aber mehr, ist weniger beständig gegen die natürliche Korrosion und ist schwer zu schweißen.
Faustregel: 6082 für den besten Kompromiss zwischen Leistung, Bearbeitbarkeit und Vielseitigkeit; 7075, wenn die mechanische Festigkeit die Kosten und die größere konstruktive Sorgfalt rechtfertigt. Im CNC-Bearbeitungsservice von Weerg können Sie Materialien, Oberflächen und Produktionszeiten ausgehend von der 3D-Datei vergleichen.
Der Begriff Verformbarkeit wird bei den Polymeren wenig verwendet, weil er hauptsächlich zur metallurgischen Terminologie gehört. Die Duktilität hingegen ist auch auf die Polymermaterialien anwendbar und beschreibt die Fähigkeit, vor dem Bruch signifikante Verformungen zu entwickeln, oft über die Bruchdehnung bewertet.
Einige indikative Werte für in der bedarfsgerechten Produktion verwendete Materialien:
| Material | A% | Verhalten |
|---|---|---|
| PA12 MJF | 20% | Gute Duktilität für eine mittels MJF produzierte Komponente |
| PA11 Gen 2 MJF | 27,5% | Hohe Verformbarkeit beim Bruch |
| Medizinisches ABS FDM | 31% | Hohe Duktilität und gute Zähigkeit |
| PEEK Annealed FDM | 9,1% | Moderate Duktilität und hohe Steifigkeit |
| PEEK CF FDM | 3,9% | Hohe Steifigkeit und reduzierte Verformbarkeit beim Bruch |
| ECOtech FDM | 2,8% | Steifes Material mit niedriger Duktilität |
| TPU MJF | 291% | Elastomer mit äußerst hoher elastischer Verformbarkeit |
Im Fall des TPU entspricht eine hohe Bruchdehnung nicht notwendigerweise einer hohen Duktilität im engeren Sinne. Da es sich um ein Elastomer handelt, ist ein großer Teil der Verformung elastisch und reversibel, während bei den duktilen Materialien die Verformung vor dem Bruch eine signifikante permanente plastische Komponente umfasst.
Duktilität und Verformbarkeit beschreiben zwei unterschiedliche Aspekte der Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Die Duktilität betrifft hauptsächlich das Verhalten unter Zug, während die Verformbarkeit die Fähigkeit beschreibt, sich unter Druck zu verformen. In der Konstruktion ist die Duktilität oft der am meisten verwendete Parameter, weil sie die strukturelle Sicherheit, die Umformbarkeit, das Verhalten bei Stößen und die Bearbeitbarkeit an den Werkzeugmaschinen beeinflusst. Die Verformbarkeit hingegen ist besonders relevant bei den Prozessen des Walzens, Schmiedens und der plastischen Verformung.
Parameter wie Bruchdehnung A%, Brucheinschnürung Z% und Mindestbiegeradius zu kennen, zusammen mit den Faktoren, die sie beeinflussen, ermöglicht es, zuverlässigere Komponenten zu dimensionieren, die Produktionsprozesse korrekt zu wählen und die Materialien mit kohärenten ingenieurtechnischen Kriterien zu bewerten.
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