Duktilität
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Das Phänomen Duktilität
Duktilität ist eine fundamentale Materialeigenschaft. Stoffe sind duktil, wenn sie sich unter Zugspannung dauerhaft verformen, ohne dabei zu brechen. Im Gegensatz dazu steht die Sprödigkeit, bei der ein Material bei geringer Verformung plötzlich versagt. Duktilität ist demnach ein plastisches Verformungsverhalten. Das Phänomen ist entscheidend für viele technische Anwendungen. Duktilität spielt zudem eine bedeutende Rolle im Ingenieurwesen sowie in der Materialwissenschaft.
Duktilität ist ein Indikator für die plastische Verformbarkeit eines Materials und ein Maß dafür, wie stark ein Material vor dem Bruch gezogen, gedehnt oder gebogen werden kann. Man spricht auch von der ‚Dehnbarkeit‘ eines Stoffes. Duktile Materialien sind vor dem Brechen in der Lage Energie durch Verformung zu absorbieren. Spröde Materialien dagegen absorbieren nur wenig Energie und weisen ein plötzliches Versagen auf.
Materialien, die eine ausgeprägte Fähigkeit zur plastischen Verformung besitzen, werden auch als Stoffe mit hoher Duktilität bezeichnet. Die plastische Verformung vor dem Bruch zeichnet sich bei einem Zugversuch durch eine hohe Bruchdehnung und eine hohe Brucheinschnürung aus. Materialien mit hoher Duktilität sind in der Lage große Verformungen aufzunehmen und Energie zu absorbieren. Diese Materialien verformen sich vor dem Versagen sichtbar und bieten so eine Art ‚Sicherheitspuffer‘.
Duktiles Material
Duktile Materialien sind Werkstoffe, die eine hohe Fähigkeit zur plastischen Verformung aufweisen. Die meisten Metalle zählen bei Raumtemperatur zu dieser Gruppe. Insbesondere Edelmetalle wie Gold und Platin, aber auch Kupfer, Aluminium und Baustahl sind duktil. Auch Kunststoffe können duktil sein. Ihre Duktilität hängt stark von ihrer molekularen Struktur und der Temperatur ab.
Stoffe wie Keramik oder Glas sind dagegen in der Regel spröde Materialien. Ihre starren atomaren Bindungen lassen keine oder nur sehr geringe plastische Verformung vor dem Versagen zu.
In der Praxis wird die Duktilität eines Materials meist durch standardisierte Zugversuche ermittelt. Messgrößen wie die Bruchdehnung sowie die Brucheinschnürung dienen zur Quantifizierung. Bei der Bruchdehnung handelt es sich dabei um die prozentuale Längenänderung bis zum Bruch, bei der Brucheinschnürung um die prozentuale Querschnittsverringerung bis zum Bruch. Die beiden Werte sind maßgeblich für die Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Anwendung. Vor allem dann, wenn Verformung vor dem Versagen erforderlich ist.
Duktilität in Metallen
Die Duktilität von Metallen ist auf ihre atomare Gitterstruktur zurückzuführen. Sie erlaubt es den Atomschichten unter mechanischer Belastung aneinander ohne vollständiges Brechen der Bindung vorbeizugleiten. Der als Gleiten bekannte Prozess ist der Hauptmechanismus der plastischen Verformung in Metallen.
Wirken Zugkräfte auf ein Metall, so verschieben sich die Atomreihen relativ zueinander. Dieser Vorgang führt zu einer dauerhaften Formänderung des Materials. Die Duktilität von Metallen hängt unter anderem von der Kristallstruktur, der Korngröße, der Temperatur und der Anwesenheit von Legierungselementen bzw. Verunreinigungen ab. Mit einer Temperaturerhöhung erhöht sich beispielsweise auch die Beweglichkeit der Atome und damit in der Regel auch die Duktilität.
Gold ist das Metall, das die höchste Duktilität aufweist. Es ist möglich aus einem Gramm Gold einen Draht von mehreren Kilometern Länge zu ziehen. Gold ist dank seiner hohen Duktilität sowie seiner Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit ein sehr wertvolles Metall und kommt in vielen Bereichen, in denen unter anderem extreme Verformbarkeit erforderlich ist, zum Einsatz. Neben der Schmuckbranche sind die Elektronik und Mikroelektronik die wichtigsten Einsatzbereiche. Weitere sehr duktile Metalle sind Silber und Kupfer.
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Duktilität von Eisen und Aluminium
Eisen und Aluminium sind für ihre Duktilität bekannt und unterscheiden sich dennoch wesentlich in ihren Eigenschaften.
Reines Eisen ist grundsätzlich sehr duktil: Es ist weich und lässt sich gut verformen. Jedoch wird reines Eisen selten in technischen Anwendungen eingesetzt. Meist kommt Eisen in Form von Legierungen zur Verwendung, vor allem in Form von Stahl und Gusseisen.
Stahl als Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und weiteren Elementen kann eine sehr hohe Duktilität aufweisen. Weichstahl mit einem geringen Kohlenstoffanteil ist hoch duktil. Er lässt sich hervorragend formen, biegen und zu Drähten ziehen. Weichstahl kommt häufig für Karosserieteile oder Baustahl zum Einsatz.
Gusseisen hat einen deutlich höheren Kohlenstoffgehalt und ist in seiner traditionellen Form als Grauguss eher spröde. Der Graphit im Grauguss konzentriert die mechanischen Spannungen im Material und reduziert die Duktilität stark. Durch Zugabe von Magnesium ist es möglich eine spezielle Form, das sogenannte duktile Gusseisen, herzustellen. Duktiles Gusseisen weist eine deutlich höhere Bruchdehnung und Brucheinschnürung als herkömmlicher Grauguss auf. Damit kann es Zugkräften und Stoßbelastungen deutlich besser standhalten.
Auch Aluminium ist ein sehr duktiles Metall und eignet sich daher hervorragend für das Kaltumformen, Walzen, Biegen, und Drahtziehen. Die Duktilität von Aluminium ist einer der Hauptgründe für den breiten Einsatz des Materials in der Industrie: Aluminium kommt unter anderem für Folien, Profile, Karosserieteile, und Kabel zum Einsatz.
