Werkstoffeigenschaften: Festigkeit, Härte, Zähigkeit

Jeder Werkstoff hat ein Bündel von Eigenschaften, das ihn für die eine Aufgabe geeignet und für die andere ungeeignet macht. Damit man nicht durcheinanderkommt, teilt man diese Eigenschaften in Gruppen ein.

Die mechanischen Eigenschaften beschreiben, wie sich ein Werkstoff unter Krafteinwirkung verhält — also ob er sich verformt, bricht oder dem Druck standhält. Genau darum geht es in diesem Beitrag. Daneben gibt es noch andere Gruppen: physikalische Eigenschaften wie Dichte, elektrische Leitfähigkeit oder Wärmeausdehnung, technologische Eigenschaften wie Schweißbarkeit oder Zerspanbarkeit, die sagen, wie gut sich ein Werkstoff bearbeiten lässt, und chemische Eigenschaften wie die Korrosionsbeständigkeit.

Welche mechanische Eigenschaft im Vordergrund steht, hängt davon ab, wie das Bauteil belastet wird. Eine Schraube wird auf Zug beansprucht. Ein Fundament trägt Druck. Eine Schneide muss dem Verschleiß widerstehen. Ein Hammerkopf bekommt Schläge ab. Für jede dieser Belastungen ist eine andere Eigenschaft wichtig.

Der entscheidende Punkt gleich zu Beginn: Es gibt keinen Werkstoff, der alles gleichzeitig kann. Maximale Härte und maximale Zähigkeit in einem Material — das funktioniert nicht. Werkstoffwahl heißt deshalb immer, die Eigenschaften gegeneinander abzuwägen. Welche das genau sind, sehen wir uns jetzt nacheinander an.

Festigkeit ist der Widerstand, den ein Werkstoff einer dauerhaften Verformung oder dem Bruch entgegensetzt. Je höher die Festigkeit, desto größer die Kraft, die das Bauteil aushält, bevor es nachgibt.

Um Festigkeit greifbar zu machen, braucht man den Begriff der mechanischen Spannung. Spannung ist nicht das Gleiche wie Kraft. Eine Kraft von 10 000 N belastet einen dicken Bolzen kaum, einen dünnen Draht zerreißt sie. Erschreidend ist also die Kraft bezogen auf die Fläche, auf die sie wirkt:

Die Einheit N/mm² entspricht dem Megapascal (MPa): 1 N/mm² = 1 MPa. Beide Schreibweisen meinen dasselbe und kommen in der Praxis nebeneinander vor.

Bei runden Bauteilen — Bolzen, Rundstäben, Wellen — ist nicht die Fläche gegeben, sondern der Durchmesser. Die Querschnittsfläche eines Kreises berechnet man aus dem Durchmesser d so:

Damit kommt man von einem gegebenen Durchmesser zur Fläche und von dort weiter zur Spannung.

Elastische und plastische Verformung. Belastet man einen Werkstoff, verformt er sich zunächst elastisch — er federt nach dem Entlasten vollständig in seine ursprüngliche Form zurück, wie eine gespannte Feder. Steigt die Belastung weiter, beginnt irgendwann die plastische Verformung: Das Bauteil bleibt dauerhaft verformt, auch wenn die Kraft weg ist. Ein verbogener Nagel kehrt nicht von selbst zurück — er wurde plastisch verformt.

Wie steif ein Werkstoff im elastischen Bereich ist, beschreibt der Elastizitätsmodul (kurz E-Modul). Er gibt an, wie stark sich ein Werkstoff unter einer bestimmten Spannung elastisch dehnt. Ein hoher E-Modul bedeutet: Der Werkstoff ist sehr steif und gibt unter Last kaum nach. Stahl hat einen rund dreimal so hohen E-Modul wie Aluminium — ein Stahlstab biegt sich unter gleicher Last also deutlich weniger durch. Wichtig: Steifigkeit (E-Modul) und Festigkeit sind zwei verschiedene Dinge. Der E-Modul sagt, wie stark sich etwas elastisch verformt; die Festigkeit sagt, ab wann es dauerhaft nachgibt oder bricht.

Kenngrößen der Festigkeit. Zwei Werte tauchen ständig auf: die Streckgrenze (Formelzeichen R_e) markiert den Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung — bis dorthin federt das Bauteil zurück. Die Zugfestigkeit (R_m) ist die höchste Spannung, die der Werkstoff überhaupt erträgt, bevor er reißt. Wie man diese Werte im Versuch ermittelt und im Spannungs-Dehnungs-Diagramm darstellt, ist ein eigenes, größeres Thema — wir nutzen die Kenngrößen hier nur als gegebene Materialwerte.

Festigkeitsarten. Je nach Belastungsrichtung spricht man von verschiedenen Festigkeiten: Zugfestigkeit beim Auseinanderziehen, Druckfestigkeit beim Zusammendrücken, Biegefestigkeit beim Verbiegen, Scherfestigkeit beim seitlichen Abscheren und Torsionsfestigkeit beim Verdrehen. Ein und derselbe Werkstoff kann diese Belastungen unterschiedlich gut vertragen — Gusseisen etwa hält Druck hervorragend aus, reißt unter Zug aber vergleichsweise leicht.

Solange die Sicherheitsreserve positiv ist, bleibt die vorhandene Spannung unter der zulässigen — das Bauteil hält. Wird sie negativ, ist das Bauteil überlastet.

Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt. Drückt man eine harte Kugel oder eine Diamantspitze in die Oberfläche, hinterlässt sie bei einem weichen Werkstoff einen großen Eindruck, bei einem harten nur einen kleinen. Aus der Größe dieses Eindrucks leitet sich der Härtewert ab.

Härte und Festigkeit hängen zusammen. Bei vielen Stählen lässt sich aus der Härte näherungsweise auf die Zugfestigkeit schließen — als grobe Faustregel ergibt die Brinellhärte multipliziert mit etwa 3,5 ungefähr die Zugfestigkeit in N/mm². Das ist kein exakter Rechenwert, sondern eine praktische Abschätzung, die im Werkstatteinsatz hilft, ohne einen vollständigen Zugversuch durchzuführen.

Wofür Härte in der Praxis zählt, zeigt sich überall dort, wo Oberflächen aneinander reiben oder schneiden. Eine Bohrerschneide, eine Führungsbahn, ein Zahnrad-Flankenbereich — sie alle müssen hart sein, sonst verschleißen sie schnell. Verschleißfestigkeit hängt eng mit der Härte zusammen.

Gemessen wird die Härte mit genormten Verfahren, die nach der Form des Eindringkörpers und der Auswertung benannt sind: Brinell, Rockwell und Vickers. Welches Verfahren wann eingesetzt wird, wie der Prüfablauf aussieht und wie die Werte berechnet werden, behandelt ein eigener Beitrag zur Härteprüfung — hier genügt zu wissen, dass die Härte über solche Eindringprüfungen als Zahlenwert ermittelt wird.

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, Energie durch Verformung aufzunehmen, bevor er bricht. Ein zäher Werkstoff gibt unter plötzlicher Belastung nach, verformt sich und nimmt dabei die Stoßenergie auf — er bricht nicht sofort. Das Gegenteil ist Sprödigkeit: Ein spröder Werkstoff verformt sich kaum, sondern bricht plötzlich und ohne Vorwarnung.

Der Unterschied zeigt sich am Bruchverhalten. Beim Verformungsbruch (auch zäher oder duktiler Bruch) verformt sich das Bauteil vor dem Bruch deutlich sichtbar — es schnürt sich ein, biegt sich, gibt eine Warnung. Beim Sprödbruch trennt sich das Material schlagartig, ohne nennenswerte vorherige Verformung. Glas ist das Schulbeispiel: Es bricht, ohne sich vorher zu biegen.

Zähigkeit ist keine feste Konstante — sie hängt stark von der Temperatur ab. Viele Stähle, die bei Raumtemperatur zäh sind, werden in der Kälte spröde. Diesen Effekt nennt man Kaltversprödung. Ein Bauteil, das im Sommer problemlos arbeitet, kann bei winterlichen Temperaturen unerwartet brechen. Auch die Belastungsgeschwindigkeit spielt eine Rolle: Schlagartige Belastung lässt einen Werkstoff eher spröde reagieren als eine langsam steigende.

Jetzt fügt sich zusammen, was sich durch den ganzen Beitrag gezogen hat: Härte und Festigkeit auf der einen Seite, Zähigkeit auf der anderen, ziehen meist in entgegengesetzte Richtungen. Ein Werkstoff, der sehr hart gemacht wird, verliert dabei in der Regel an Zähigkeit — er wird spröder. Macht man ihn zäher, sinkt die Härte. Beides gleichzeitig auf Maximum gibt es nicht.

Dieser Zusammenhang lässt sich bei Stahl gezielt steuern. Härtet man Stahl, wird er sehr hart, aber auch spröde. Durch anschließendes Anlassen — ein kontrolliertes Wiedererwärmen — nimmt man einen Teil der Härte zurück und gewinnt dafür Zähigkeit. Die Kombination aus Härten und Anlassen nennt man Vergüten. Über die Anlasstemperatur stellt man den gewünschten Kompromiss ein: niedrige Anlasstemperatur für mehr Härte, höhere für mehr Zähigkeit.

Härte und Zähigkeit über der Anlasstemperatur

Das folgende Diagramm zeigt den gegenläufigen Verlauf schematisch. Mit steigender Anlasstemperatur sinkt die Härte, während die Zähigkeit zunimmt. Der brauchbare Arbeitsbereich liegt dort, wo beide Eigenschaften einen tragfähigen Kompromiss bilden.

Der gleiche Zielkonflikt lässt sich auch über die Legierung beeinflussen, etwa über den Kohlenstoffgehalt im Stahl: Mehr Kohlenstoff erlaubt höhere Härte, senkt aber die Zähigkeit. Wärmebehandlung und Legierungszusammensetzung sind die beiden großen Stellschrauben — beide sind eigene, umfangreiche Themen; hier reicht das Prinzip: Man kann den Kompromiss einstellen, aber den Konflikt nicht aufheben.

Neben den drei Haupteigenschaften spielen je nach Anwendung weitere mechanische Eigenschaften mit: