Zähigkeit, Härte und Festigkeit

Was ist Zähigkeit?

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Sie ist eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität, d. h. ein zähes Material kann sowohl hohen Spannungen als auch erheblichen Verformungen standhalten, bevor es bricht. Die Zähigkeit wird häufig anhand der Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve im Zugversuch eines Materials gemessen, die die Gesamtenergie darstellt, die das Material vor dem Bruch aufnehmen kann. Sie wird in der Regel in Joule (J) oder Pfund-Kraft-Zoll (lbf-in) gemessen.

Härte vs. Zähigkeit

Obwohl sich sowohl Härte als auch Zähigkeit auf die Verformungsbeständigkeit eines Materials beziehen, stellen sie unterschiedliche Eigenschaften dar:

- Härte ist die Fähigkeit eines Materials, örtlich begrenzter plastischer Verformung zu widerstehen, typischerweise durch Eindrücken oder Kratzen. Harte Materialien können Oberflächenverschleiß und Abrieb widerstehen.

- Zähigkeit hingegen bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Stoßenergie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Ein zähes Material ist nicht unbedingt hart, und ein hartes Material muss nicht unbedingt zäh sein.

So sind beispielsweise Keramiken oft sehr hart, aber nicht zäh, da sie spröde sind und bei einem Aufprall leicht brechen können. Metalle, wie z. B. Stahl, sind in der Regel zäher als Keramik, d. h. sie können sowohl Kraft als auch Stöße aushalten, ohne zu brechen.

Zähigkeit und Festigkeit

DieFestigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, einer einwirkenden Kraft zu widerstehen, ohne zu brechen oder sich dauerhaft zu verformen. Die Zähigkeit unterscheidet sich von der Festigkeit insofern, als sie angibt, wie viel Energie das Material während der Verformung aufnehmen kann, bevor es bricht. Ein Material kann eine hohe Festigkeit, aber eine geringe Zähigkeit haben, wie z. B. einige spröde Materialien wie Gusseisen, oder es kann eine hohe Zähigkeit und eine geringere Festigkeit haben, wie einige duktile Metalle.

Zum Beispiel:

• Stahl: Einige Stahlsorten sind auf hohe Festigkeit und Zähigkeit ausgelegt und eignen sich daher für Anwendungen im Bauwesen und in der Automobilindustrie.
• Gusseisen: Gusseisen ist zwar druckfest, aber spröde und weist eine geringe Zähigkeit auf, d. h. es bricht leicht unter Zug oder Stoß.

Faktoren, die die Zähigkeit von Metallen beeinflussen

1. die Temperatur:

• Bei niedrigen Temperaturen werden viele Metalle spröde und verlieren an Zähigkeit, wodurch sie anfälliger für Brüche werden. Aus diesem Grund werden Werkstoffe, die in kalten Klimazonen verwendet werden, wie z. B. Stahl für Pipelines oder Flugzeuge, oft speziell für die Tieftemperaturzähigkeit behandelt.
• Hohe Temperaturen können sich ebenfalls auf die Zähigkeit auswirken, aber die Werkstoffe werden dadurch duktiler und weniger bruchanfällig.

2. die Kornstruktur:

• Werkstoffe mit feinkörnigem Gefüge weisen in der Regel eine höhere Zähigkeit auf, da kleinere Körner mehr Hindernisse für Versetzungen (mikroskopische Verschiebungen im Kristallgitter des Werkstoffs) bilden, wodurch der Werkstoff mehr Energie absorbieren kann, bevor er bricht.

3. legierende Elemente:

• Der Zusatz von Legierungselementen wie Kohlenstoff, Nickel und Chrom kann die Zähigkeit eines Werkstoffs erhöhen. So erhöht beispielsweise die Zugabe von Nickel zu Stahl dessen Zähigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.

4. die Wärmebehandlung:

• Wärmebehandlungsverfahren wie Abschrecken und Anlassen können die Zähigkeit verbessern, indem sie die Mikrostruktur des Metalls verändern. So weist beispielsweise ein angelassener martensitischer Stahl ein besseres Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Festigkeit auf als ein unbehandelter Martensit.

5. die Dehnungsrate:

• Hohe Dehnungsgeschwindigkeiten (schnelle Beanspruchung) können die Zähigkeit verringern, so dass Werkstoffe bei einem Schlag eher brechen. Langsam und allmählich beanspruchte Werkstoffe sind im Allgemeinen zäher.

Anwendungen, die eine hohe Zähigkeit erfordern

Werkstoffe mit hoher Zähigkeit sind in Branchen, in denen ein Versagen aufgrund von Stößen oder Spannungen katastrophale Folgen haben kann, unverzichtbar. Einige wichtige Anwendungen sind:

• Luft- und Raumfahrt: Werkstoffe für Flugzeuge müssen hohen Belastungen und Aufprallkräften standhalten, ohne zu brechen.
• Automobilbau: Autokomponenten wie Stoßstangen, Rahmen und Aufhängungsteile müssen eine hohe Zähigkeit aufweisen, um die Aufprallenergie bei Unfällen zu absorbieren.
• Bauwesen: Baustahl, der in Gebäuden und Brücken verwendet wird, muss so widerstandsfähig sein, dass er dynamischen Belastungen, einschließlich Wind und seismischen Kräften, standhält.
• Sportausrüstung: Helme, Schutzkleidung und andere Sportausrüstungen sind auf hohe Zähigkeit ausgelegt, um Stöße zu absorbieren und den Benutzer zu schützen.
• Militär: Panzerungen und Fahrzeugstrukturen benötigen eine hohe Zähigkeit, um extreme Aufprallkräfte zu überstehen.

Zähigkeit und Härte in gängigen Metallen

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Zähigkeit und Duktilität?

Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zugspannung zu verformen, während Zähigkeit die Fähigkeit ist, Energie zu absorbieren und sich zu verformen, ohne zu brechen. Die Duktilität trägt zur Zähigkeit bei, aber es handelt sich nicht um dieselbe Eigenschaft.

Kann die Härte die Zähigkeit beeinflussen?

Ja, eine höhere Härte führt oft zu einer geringeren Zähigkeit. Harte Werkstoffe wie Keramik oder gehärteter Stahl neigen bei Stößen oder plötzlichen Belastungen eher zur Rissbildung und sind daher weniger zäh.

Ist eine hohe Zähigkeit immer wünschenswert?

Eine hohe Zähigkeit ist für Anwendungen unerlässlich, bei denen die Werkstoffe Stößen oder extremen Belastungen standhalten müssen, z. B. in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei Schneidwerkzeugen, ist die Härte jedoch wichtiger als die Zähigkeit.

Wie wirkt sich die Temperatur auf die Zähigkeit aus?

Bei niedrigen Temperaturen werden die meisten Metalle spröder, was ihre Zähigkeit verringert. Hohe Temperaturen können die Zähigkeit je nach Werkstoff ebenfalls beeinflussen, indem sie ihn entweder dehnbarer machen oder in einigen Fällen die Neigung zur Erweichung erhöhen.

Warum ist Zähigkeit im Bauwesen wichtig?

Die Zähigkeit ist im Bauwesen von entscheidender Bedeutung, da sie dafür sorgt, dass Werkstoffe dynamische Belastungen und Stöße, z. B. durch Erdbeben, Wind oder schwere Maschinen, aufnehmen können, ohne katastrophal zu versagen.