Duktiles Versagen verstehen:Ursachen, Erkennung und Präventionsstrategien

Duktiles Versagen ist ein entscheidender Aspekt bei der Konstruktion von Bauteilen, die einer Zugbelastung ausgesetzt sind. Normalerweise entwerfen Ingenieure Teile so, dass die erwartete maximale Spannung innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials – unterhalb seiner Streckgrenze – bleibt, um dauerhafte Verformungen zu vermeiden. Wenn die Spannung jedoch diese Grenze überschreitet, beginnt sich das Material plastisch zu verformen und es kann schließlich zu einem duktilen Bruch kommen.

Beim duktilen Versagen erfährt das Teil vor dem Bruch eine erhebliche plastische Verformung, die oft als lokale Verringerung der Querschnittsfläche (Einschnürung) sichtbar ist. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu sprödem Versagen, das mit geringer oder keiner plastischen Verformung und minimaler Warnung auftritt. 

In diesem Artikel wird erklärt, was duktiles Versagen ist, wie es entsteht und fortschreitet, wie es aussieht, welche häufigsten Ursachen es hat und welche Strategien es bei der Strukturplanung zu verhindern gilt.

Was ist duktiles Versagen?

Unter duktilem Versagen versteht man den Prozess, bei dem ein Material bricht, nachdem es sich über seine Streckgrenze hinaus plastisch verformt hat. Dies steht im Gegensatz zum spröden Versagen, bei dem sich das Material kaum verformt, bevor es bricht. Materialien, die sich duktil verformen, weisen im Vergleich zum spröden Versagen eine besondere Versagensart auf.

In einer typischen Spannungs-Dehnungs-Kurve beginnt sich das Material plastisch zu verformen, sobald die Spannung über diese Grenze bis zur Streckgrenze ansteigt. Bei einigen Materialien kann eine unterschiedliche obere und untere Streckgrenze beobachtet werden; Die niedrigere Streckgrenze markiert den Beginn einer gleichmäßigen plastischen Verformung. Von A nach B erfährt das Material eine Kaltverfestigung, wobei es trotz fortgesetzter plastischer Verformung steigenden Belastungen aufgrund von Versetzungswechselwirkungen standhalten kann. Die maximale Spannung an Punkt B ist die ultimative Zugfestigkeit (UTS). Jenseits von Punkt B kommt es zu einer lokalen Verringerung der Querschnittsfläche, einem Phänomen, das als Einschnürung bezeichnet wird, und die Spannung, die das Material aushalten kann, nimmt ab, bis es am Punkt C zum Bruch kommt. 

Es ist zu beachten, dass sich eine Einschnürung typischerweise nach einer gleichmäßigen plastischen Verformung entwickelt und in den frühen Stadien des duktilen Versagens nicht auftritt. Eine höhere Bruchdehnung bedeutet, dass das Material duktiler ist. Allerdings kommt es bei den meisten Metallen zu einem gewissen Grad an Kaltverfestigung, bevor sie das Einschnürungsstadium erreichen.

Bei hochduktilen Werkstoffen fehlt oft eine scharf definierte Streckgrenze. Für diese Materialien wird die Streckgrenze üblicherweise mit der 0,2 %-Offset-Methode bestimmt, bei der eine Linie parallel zum elastischen Bereich der Kurve von einem Dehnungswert von 0,2 % bis zum Schnittpunkt der Kurve gezogen wird. Dieser Schnittpunkt markiert die Fließgrenze. 

Der Grad der Duktilität eines Materials kann durch die proportionale Verringerung der Querschnittsfläche an der Bruchfläche nach dem Versagen bestimmt werden. Materialien wie Aluminium und Gold, die vor dem Bruch eine große Flächenverringerung aufweisen, gelten als sehr duktil.

Was bedeutet „duktil“?

Das Wort duktil stammt vom lateinischen ductilis ab und bedeutet „formbar“, „flexibel“ oder „führbar“. In der Materialwissenschaft bezieht sich Duktilität auf die Fähigkeit eines Materials, sich vor dem Bruch erheblich plastisch zu verformen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Materialien zu Drähten zu ziehen, in komplexe Formen zu bringen oder unter Last Energie zu absorbieren, ohne plötzlich auszufallen.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Duktilität.

Ein Beispiel für Duktilität

Was passiert, wenn ein duktiles Versagen auftritt?

Bei duktilem Versagen handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, der der Klarheit halber auf duktiles Zugversagen beschränkt wird. Zunächst muss das Teil auf Zug belastet werden, sodass die entstehende Spannung beginnt, die Elastizitätsgrenze (oder Streckgrenze) des Materials zu überschreiten. Dabei beginnt sich das Material plastisch zu verformen. Dieser Vorgang wird als Einschnürung bezeichnet und bezieht sich auf die Verringerung der Querschnittsfläche des Teils. Schließlich wird die ausgeübte Spannung stärker als die Bindungen zwischen den Atomen, die das Material zusammenhalten. Die schwächsten Teile des Materials sind innere Defekte, bei denen die Metallkristalle nicht für eine optimale Festigkeit ausgerichtet sind, beispielsweise an bereits vorhandenen Poren oder Hohlräumen, oder an Einschlüssen oder Verunreinigungen wie Schlacke oder Metallkarbiden. Als nächstes verschmelzen diese Hohlräume, was bedeutet, dass sie wachsen und sich mit benachbarten Hohlräumen verbinden, um größere Hohlräume zu bilden. Sobald sich die Hohlräume zu ausreichend großen Diskontinuitäten verbunden haben, beginnt sich ein Riss vom Ausgangspunkt nach außen auszubreiten, bis sich das Material schließlich auf Makroebene trennt und versagt.

Wie sieht duktiles Versagen aus?

Der duktile Bruch ist durch eine merkliche Verringerung der Querschnittsfläche des Teils in der Nähe der Bruchebene gekennzeichnet, die auf eine lokale plastische Verformung zurückzuführen ist. Diese als Einschnürung bezeichnete Verengung erzeugt ein markantes Profil im Bruchbereich. Bei hochduktilen Materialien verjüngt sich die Einschnürungszone vor dem Bruch häufig zu einer schärferen Spitze, während bei weniger duktilen Materialien der Übergang allmählicher erfolgt.

Was sind die Ursachen für duktiles Versagen?

Unter den richtigen Bedingungen kann jedes Material versagen, und duktiles Versagen tritt auf, wenn diese Bedingungen eine erhebliche plastische Verformung vor dem Bruch ermöglichen. Einige der Faktoren, die zum duktilen Versagen beitragen, sind unten aufgeführt:

1. Stresslevel

Teile werden in der Regel so konstruiert, dass die Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, deutlich unter der Streckgrenze bleiben, häufig mit einem eingebauten Sicherheitsfaktor. Übersteigt die anliegende Spannung bei einer Zugbelastung die Streckgrenze, beginnt sich das Material plastisch zu verformen. Dadurch wird die erste Stufe des duktilen Versagens eingeleitet, wobei die Verformung so lange anhält, bis die Bruchfestigkeit erreicht ist und das Teil bricht. 

2. Art der Beladung

Duktiles Versagen wird am häufigsten bei Zugbelastung beobachtet, bei der das Material durch die ausgeübte Kraft gedehnt wird. Auch die Belastungsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der die Last aufgebracht wird, kann das Verhalten bei duktilem Versagen beeinflussen. In einigen Fällen können höhere Belastungsraten die scheinbare Bruchzähigkeit des Materials erhöhen. Obwohl die meisten Komponenten darauf ausgelegt sind, mehr als der erwarteten Belastung standzuhalten, können unvorhergesehene oder extreme Zugspannungen dennoch zu einem duktilen Versagen führen.

3. Vorhandene Risse oder Mängel

Risse, Hohlräume oder andere Defekte schwächen ein Material lokal und führen zu Spannungskonzentrationen in diesen Bereichen. Bei ausreichender Belastung können diese hochbeanspruchten Zonen zunächst nachgeben und so die Rissausbreitung einleiten. Die meisten duktilen Ausfälle entstehen durch diesen Mechanismus, beginnend mit der Bildung mikroskopischer Hohlräume und der Verschmelzung, gefolgt von Risswachstum, das schließlich zum Bruch führt.

4. Materialeigenschaften

Um duktiles Versagen zu verhindern, müssen Teile so konstruiert werden, dass die Spannungskonzentrationen deutlich unter der Streckgrenze des Materials bleiben. Einige Materialien, wie z. B. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, haben eine scharf definierte Streckgrenze, die auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve leicht erkennbar ist. Hochduktile Materialien wie Aluminium weisen keine ausgeprägte Streckgrenze auf. Stattdessen wird ihre Streckgrenze mithilfe der 0,2-%-Offset-Methode definiert, die die Spannung identifiziert, die einer dauerhaften Dehnung von 0,2 % entspricht. Bei solchen Materialien wird diese 0,2 %-Versatz-Streckgrenze in Konstruktionsberechnungen effektiv als Streckgrenze behandelt.

5. Temperatur- und Umwelteinflüsse

Die Temperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf das Zugverhalten von Materialien. Erhöhte Temperaturen verringern die Streckgrenze eines Materials, was dazu führt, dass es bei viel geringeren Belastungen zu duktilem Versagen kommt. Umgekehrt kann eine Reduzierung der Temperatur dazu führen, dass ein ansonsten duktiles Material spröde bricht. Die Temperatur, bei der diese Verschiebung auftritt, wird als Übergangstemperatur von duktil zu spröde (DBTT) bezeichnet. Bei hohen Temperaturen und anhaltenden Belastungen kann es bei Materialien auch zu Kriechen kommen, einer zeitabhängigen Verformung, die sogar unterhalb der Streckgrenze bei Raumtemperatur auftreten kann. Umweltfaktoren wie Korrosion können das Ausfallverhalten zusätzlich beeinflussen. Bestimmte korrosive Stoffe können zur Versprödung führen und dazu führen, dass ein normalerweise duktiles Material spröde wird.

Wie kann duktiles Versagen verhindert werden?

Duktiles Versagen kann durch eine sorgfältige technische Gestaltung verhindert werden. Jede Komponente und jedes System muss so ausgelegt sein, dass die Belastungen, denen es in seiner Betriebsumgebung ausgesetzt ist, die Streckgrenze des Materials in dieser Umgebung nicht überschreiten. Um einen Ausfall auszuschließen, muss die Belastung reduziert, die Querschnittsfläche vergrößert oder ein anderes Material gewählt werden.

Da Spannung als Kraft dividiert durch Querschnittsfläche definiert ist, verringert eine Verringerung der Kraft oder eine Vergrößerung der Fläche die Spannung und verringert das Risiko eines Ausfalls. Durch die Wahl von Materialien mit höherer Streckgrenze wird sichergestellt, dass die Betriebsbelastungen im elastischen Bereich bleiben.

Es ist übliche technische Praxis, Teile so zu konstruieren, dass sie einem Sicherheitsfaktor über der maximal erwarteten Belastung standhalten. Sicherheitsfaktoren berücksichtigen Unsicherheiten wie Materialschwankungen, Umgebungsbedingungen und unvorhergesehene Belastungsszenarien. In vielen Branchen sind akzeptable Sicherheitsfaktoren geregelt und können vom Konstrukteur nicht willkürlich ausgewählt werden.

Wie können Teile, die durch duktilen Bruch versagen, repariert werden?

Von einem duktilen Versagen eines Bauteils wird ausgegangen, wenn es eine ausreichende plastische Verformung erfahren hat, die seine beabsichtigte Funktion nicht mehr erfüllen kann, unabhängig davon, ob ein vollständiger Bruch aufgetreten ist. Eine Reparatur ist im Allgemeinen nur durch Entfernen des verformten Abschnitts und Ersetzen desselben oder durch Ersetzen des gesamten Bauteils möglich.

Diese Art von Versagen weist häufig auf einen potenziellen Konstruktionsfehler hin:Entweder waren die Betriebslasten höher als erwartet, oder es wurde ein Material mit unzureichender Festigkeit ausgewählt. In jedem Fall sollte eine umfassende Fehleranalyse – einschließlich Materialcharakterisierung, Überprüfung des Belastungsverlaufs und potenzieller Umweltauswirkungen – durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollten in eine Neukonstruktion des Teils oder die Auswahl geeigneterer Materialien einfließen, um ein erneutes Auftreten zu verhindern.

Was sind die Beispiele für duktile Materialien?

Die überwiegende Mehrheit der in technischen Anwendungen verwendeten Metalle ist duktil. Nachfolgend sind einige gängige Beispiele für duktile Materialien aufgeführt:

• Aluminium: Hohe Duktilität, insbesondere in geglühter Form; weit verbreitet in Struktur-, Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen.
• Kohlenstoffarmer Stahl: Sehr duktil und zäh; Wird häufig im Bauwesen und in der Fertigung verwendet.
• Zink: Mäßig duktil, insbesondere bei erhöhten Temperaturen; Wird häufig beim Verzinken und Druckgießen verwendet.
• Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt: Geringere Duktilität als kohlenstoffarmer Stahl, aber dennoch zu erheblicher plastischer Verformung fähig.
• Kupfer: Extrem duktil und formbar; Ideal für elektrische Leitungen und Wärmetauscher.
• Gold: Eines der duktilsten und formbarsten Metalle, die es gibt; Wird in elektronischen und dekorativen Anwendungen verwendet.

Welche Arten von duktilem Versagen gibt es?

Es gibt zwei allgemeine Arten von duktilem Versagen, die sich durch den Grad der Duktilität eines Materials unterscheiden. Diese sind unten aufgeführt:

1. Erhebliche Einschnürung: Dies bezieht sich auf die Situation, in der ein hochduktiles Material einer Zugbelastung ausgesetzt ist, die zu einer erheblichen Einschnürung (oder Verringerung der Querschnittsfläche) bis zum Versagen führt. Diese Materialien unterliegen einer erheblichen bleibenden Verformung, bevor sie endgültig versagen.
2. Cup-and-Cone: Dieser Versagensmodus tritt auf, wenn ein Material mit einem relativ geringeren Grad an Duktilität versagt. Dieser duktile Versagensmodus wird durch die Entstehung und Koaleszenz von Hohlräumen verursacht, was letztendlich zu Risswachstum und -versagen führt.

Was ist der Unterschied zwischen duktilem Versagen und sprödem Versagen?

Duktiles Versagen tritt auf, wenn ein Material über seine Streckgrenze hinaus belastet wird und sich über einen bestimmten Zeitraum plastisch zu verformen beginnt, bevor es schließlich versagt. Spröde Materialien erfahren vor dem Bruch kaum oder gar keine plastische Verformung. Ihre Höchstzugfestigkeit und Streckgrenze liegen nahe beieinander. Aufgrund der fehlenden plastischen Verformung gibt ein sprödes Material keinen visuellen Hinweis darauf, dass es kurz vor dem Versagen steht.

Die meisten Materialien versagen, weil sie eine Kombination aus duktilem und sprödem Verhalten aufweisen und sowohl die Verformungsrate als auch die Temperatur das Verhalten des Materials von duktil zu spröde oder umgekehrt ändern können. 

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum Thema Sprödbruch.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde duktiles Versagen vorgestellt, erklärt, was es ist, und erörtert, wie man damit umgeht und es verhindert. Um mehr über duktiles Versagen zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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