Vergleich der Duktilität von Stahl und Aluminium

Beim Vergleich von Stahl und Aluminium gilt Stahl als das stärkere der beiden Metalle, da es 2,5-mal dichter als Aluminium ist und eine hohe Zugfestigkeit aufweist. Stahl bietet auch eine höhere Korrosionsbeständigkeit als Aluminium. Aluminium ist jedoch duktiler als Stahl, was ihm eine hervorragende Verformbarkeit verleiht, die insbesondere Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Elektrotechnik und dem Bauwesen zugute kommt.

Im Folgenden werfen wir einen tieferen Blick auf die Duktilität von Stahl im Vergleich zu Aluminium und erörtern, warum Duktilität wichtig ist, insbesondere wenn es um strukturelle Anwendungen geht.

Was ist Duktilität?

Duktilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Metalls, plastischer Verformung zu widerstehen, ohne unter Belastung oder Belastung zu brechen.

Zwei unterschiedliche Werte definieren typischerweise die Stärke eines Materials:

1. Ultimative Stärke: Die maximale Festigkeit, der ein Material standhalten kann, bevor es versagt
2. Streckgrenze: Die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, wenn es innerhalb seiner Elastizitätsgrenze verformt wird

Die Duktilität des Werkstoffs bezeichnet den Bereich zwischen Streckgrenze und Reißfestigkeit. Je größer der Abstand zwischen den beiden Punkten, desto dehnbarer ist das Material.

Die Bedeutung der Duktilität

Duktilität ermöglicht es Strukturen, sich bis zu einem gewissen Grad zu biegen, ohne zu brechen. Diese Funktion ist sehr nützlich für den Entwurf erdbebensicherer Strukturen.

Das Ziel herkömmlicher Bauvorschriften ist es, den Einsturz bei extremen Umweltgefahren wie Erdbeben zu verhindern. Um einen plötzlichen Einsturz zu verhindern, muss die Struktur eines Gebäudes auf seismische Wellen hoch reagieren und gleichzeitig die Schwingungsamplitude reduzieren können. Das Hinzufügen von Duktilität zu Strukturelementen wirkt als Senke für seismische Energien, die bei Erdbeben erzeugt werden.

Die Verwendung von duktilen Materialien in strukturellen Anwendungen hat die folgenden Vorteile:

• Fügt Strukturen Robustheit hinzu
• Gleichmäßige Spannungs- und Kraftverteilung in der gesamten Struktur
• Verbessert die Stärke von Mitgliedern, Verbindungen und Strukturen
• Zeigt eine Fehlerwarnung vor dem Zusammenbruch
• Ermöglicht Strukturen, schwere Erdbebenbelastungen zu überstehen

Die Duktilität von Stahl vs. Aluminium

Um die Duktilität von Stahl im Vergleich zu Aluminium besser zu verstehen, wollen wir zunächst jede ihrer Strukturen untersuchen.

Aluminium bildet eine sich wiederholende Kristallstruktur, die auch als flächenzentrierte kubische (FCC) Struktur bekannt ist. Einer der Vorteile dieser Struktur besteht darin, dass sie Gleitsysteme enthält, die sich bei Krafteinwirkung leicht verformen. Aus diesem Grund ist Aluminium duktiler als Stahl, der eine kubisch raumzentrierte (BCC) Struktur hat. Eine BCC-Struktur hat keine dicht gepackte Atomstruktur und es fehlen auch vorherrschende Gleitsysteme wie FCC. BCC-Materialien können jedoch mit thermischer Energie Schlupf aktivieren.

Wenn man die Duktilität von Stahl betrachtet, ist Stahl eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Bei Eisen ist die Anordnung der Atome temperaturabhängig, sodass die Festigkeit des Stahls durch verschiedene Wärmebehandlungs- und Abschreckprozesse erhöht werden kann. Mit zunehmender Festigkeit beginnt Stahl jedoch, seine Duktilität zu verlieren. Beispielsweise ist Martensitstahl die stärkste und härteste verfügbare Stahlsorte, aber auch die sprödeste. Die Zugabe von zusätzlichen Legierungselementen zusammen mit Erhitzen und Abschrecken kann die Duktilität von Stahl stark erhöhen. Zum Beispiel kann die Zugabe einer sehr kleinen Menge Kohlenstoff zum Stahl seine Duktilität auf bis zu 50 % der einer Aluminiumlegierung erhöhen.

Im Vergleich dazu ist Aluminium ein relativ weiches Material mit niedrigem Schmelzpunkt; daher ist reines Aluminium von Natur aus hochgradig duktil. Aufgrund ihrer hohen Duktilität splittern Aluminiumlegierungen leichter als Stahl oder Kupfer, sodass sie kurz vor dem Ende des Produktdesigns geformt werden können. Daher ist Aluminium sehr gefragt, sowohl für Prototypen als auch für Serien.

Die Vorteile und Herausforderungen der Bearbeitung von Stahl und Aluminium

Die Duktilität von Stahl gegenüber Aluminium ermöglicht es ihnen, Formbarkeit zu entwickeln, ohne beschädigt zu werden. Stähle können zu Drähten, Trägern, Stäben und Rahmen gezogen werden, um die spezifischen Anforderungen jeder Konstruktion zu erfüllen. Ebenso können Sie die Duktilität von Aluminium nutzen, um Werkzeugplatten, Stäbe, Rohre, Folien, Drähte und mehr herzustellen. Da Aluminium Wärme schnell leitet und abführt, bleibt es im Vergleich zu Stahl oder Kupfer beim Lichtbogenschweißen stabil und verzieht sich weniger.

All diese Vorteile gehen jedoch mit kostspieligen Bearbeitungsherausforderungen einher. Bei der Bearbeitung von duktilen Metallen erzeugt das Schneidwerkzeug eine Druckspannung auf dem Werkstück. Die Spannung wandelt sich allmählich in Scherspannung unterschiedlicher Größe um und breitet sich in mehrere Richtungen zum Schnittwinkel aus. Übersteigt diese Schubspannung die Materialdehnung, kommt es zur Bildung von Endlosspänen. Das angesammelte Material verbindet sich mit der Werkzeugspitze und dem Werkstück, was zu einer schlechten Oberflächengüte führt und erfordert, dass das Werkzeug bei jedem Durchgang mit einer größeren Kraft schneidet.

Um diese Herausforderung zu meistern, ist es wichtig, High-End-Werkzeuge mit niedriger Drehzahl und hoher Reibungskraft zu verwenden, unterstützt durch eine hohe Vorschubgeschwindigkeit. Das Fehlen der richtigen Tools und Fachkenntnisse kann zu mehr Abfall und einem übermäßigen Verbrauch von Rohstoffen führen, was zu einem schlechten ROI führt.

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