Umbildbarkeit von Metallen: Was Biegsamkeit bedeutet & wie sie funktioniert

Die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich unter Druck (Walzen, Schmieden, Hämmern) zu dünnen Blechen verformen zu lassen, ohne zu brechen, nennt man Umbildbarkeit (Fachbegriff: Malleabilität). Ein klassisches Indiz: Gold lässt sich zu Blattgold (Goldleaf) von wenigen Mikrometern Dicke walzen. Nichtmetalle besitzen diese Eigenschaft nicht – sie splittern unter Schlagbelastung. Umbildbare Metalle (Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Eisen, Blei, Zinn) fließen plastisch und behalten die neue Form dauerhaft bei.

Dieser Artikel beantwortet die zentralen Fragen:

• Was ist Umbildbarkeit (Malleabilität)?
• Welche Metalle sind umbildbar?
• Wie funktioniert Umbildbarkeit auf atomarer Ebene?
• Sind Nichtmetalle umbildbar?
• Unterschied: Umbildbarkeit vs. Zähigkeit (Duktilität)
• Zusammenhang: Umbildbarkeit vs. Härte
• Einfluss der Temperatur auf die Umbildbarkeit
• Einfluss der Legierung auf die Umbildbarkeit
• Wie misst man Umbildbarkeit?

Was ist Umbildbarkeit (Malleabilität)?

Umbildbarkeit ist die Eigenschaft eines Metalls, sich unter Druckspannung (kompressiver Spannung) plastisch zu verformen – also seine Form dauerhaft zu ändern, ohne zu reißen. Maßstab ist der maximale Druck, den das Material vor dem Bruch aushält. Ursache sind die unterschiedlichen Kristallstrukturen der Metalle.

Hochumbildbare Metalle eignen sich für Metallfolien (Goldleaf, Aluminiumfolie, Indiumfolie). Viele umbildbare Metalle sind auch zäh (duktil), aber nicht alle: Blei ist hoch umbildbar, aber wenig duktil (lässt sich nicht gut zu Drähten ziehen). Umbildbarkeit ist eine physikalische Eigenschaft, die im Periodensystem vor allem den Hauptgruppen 1–12 (Metalle) zugeordnet ist.

Technische Relevanz: Karosseriebau (Tiefziehen), Gerätegehäuse (Kühlschrank, Herd), Rohrumformung, Münzprägung, Schmuckherstellung.

Beispiele umbildbarer Metalle

Auf atomarer Ebene rollen Atome unter Druck übereinander in neue Positionen, ohne die metallischen Bindungen zu brechen. Bei hoher Spannung bleibt diese Verschiebung permanent. Beispiele:

• Gold, Silber: Extrem umbildbar (Blattgold, Silbertabletten).
• Kupfer, Aluminium: Sehr gut umbildbar & duktil – Standard für Bleche, Drähte, Rohre.
• Eisen (reines Ferrit): Gut umbildbar (Schmieden, Walzen).
• Blei, Zinn, Indium, Lithium: Hoch umbildbar, teils gering duktil.

Nichtmetalle (Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff) sind spröde – sie brechen. Ausnahmen: Bestimmte Allotrope (plastischer Schwefel) und Polymere (Kunststoffe) zeigen umbildbares Verhalten.

Wie funktioniert Umbildbarkeit? (Kristallstruktur)

Metalle mit dichtestgepackten Kristallgittern sind am umbildbarsten:

• FCC (flächenzentriert kubisch): Cu, Al, Ni, Au, Ag, Pb, γ-Fe (Austenit) – Atome in gestapelten dichten Ebenen {111}, die leicht aneinander vorbeigleiten (Gleitsysteme).
• HCP (hexagonal dichtestgepackt): Mg, Zn, Ti, Be – weniger Gleitsysteme, aber bei Raumtemperatur oft noch gut umformbar.

BCC (körperzentriert kubisch): α-Fe (Ferrit), W, Mo, Cr, V – "wellblechartige" Struktur, weniger Gleitsysteme bei niedrigen Temperaturen → spröder, weniger umbildbar.

Temperatur, Legierungselemente, Verunreinigungen und Textur verändern das Verhalten. Daher ist die Umbildbarkeit eines Elements/Legierung immer kontextabhängig (Temperatur, Umformgeschwindigkeit, Spannungszustand).

Sind Nichtmetalle umbildbar?

Im Allgemeinen nein. Nichtmetallische Elemente sind spröde. Ausnahmen:

• Allotrope: Plastischer Schwefel (hochtemperaturmodifiziert) lässt sich kneten.
• Polymere (Kunststoffe): Thermoplaste (PE, PP, PVC) sind über dem Glasübergang umbildbar (walzen, extrudieren). Duroplaste und Elastomere nicht.

Umbildbarkeit vs. Zähigkeit (Duktilität)

Oft verwechselt, aber mechanisch unterschiedlich:

Eigenschaft	Beanspruchung	Ergebnis	Beispiel
Umbildbarkeit (Malleability)	Druck (Kompression)	Blech, Folie, komplexe 3D-Formen	Gold → Blattgold; Blei → Bleiblech
Zähigkeit / Duktilität (Ductility)	Zug (Tension)	Draht, Seil, tiefgezogene Teile	Cu → Drähte; Au → Drähte

Zusammenhang: Die meisten umbildbaren Metalle sind auch duktil (Cu, Al, Au, Ag). Aber: Blei, Zinn sind umbildbar, aber wenig duktil (bei Raumtemperatur). Bei Erhöhung der Temperatur werden Metalle generell umbildbarer (Kornwachstum, weniger Korngrenzen), aber duktiler nur bis zu einem Optimum – dann tritt Heißbrüchigkeit auf.

Umbildbarkeit und Härte

Harte Metalle (Antimon, Bismut, gehärteter Stahl) haben komplexe Kristallstrukturen mit vielen Korngrenzen. Atome lassen sich schwer in neue Positionen verschieben, ohne Bindungen zu brechen. Mehr Korngrenzen → höhere Härte, aber geringere Umbildbarkeit (Versprödung an Korngrenzen).

Umgekehrt: Wenige Korngrenzen (grobkörnig, einkristallin) → weich, gut umbildbar. Wärmebehandlung (Glühen) reduziert Korngrenzen → erhöht Umbildbarkeit. Kaltverformung erhöht Härte (Verfestigung) → verringert Umbildbarkeit (Rekristallisationsglühen stellt sie wieder her).

Einfluss der Temperatur

Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Korngrenzen ab (Kornwachstum), Diffusionsprozesse unterstützen Gleitvorgänge → Umbildbarkeit steigt.

Beispiel: Zink ist bei Raumtemperatur spröde. Ab ~150 °C (300 °F) wird es duktil und umbildbar – kann gewalzt werden. Warmumformen (Schmieden, Warmwalzen) nutzt diesen Effekt gezielt.

Einfluss der Legierung

Legieren ändert Gitterparameter, führt Fremdatome ein, bildet Ausscheidungen → meist Verringerung der Umbildbarkeit (Erhöhung der Festigkeit).

• Messing (Cu-Zn): Weniger umbildbar als reines Cu oder Zn.
• 14-karätiges Gold, Sterlingsilber (Ag-Cu): Härter, weniger umbildbar als Feingold/Feinsilber.
• Aluminiumlegierungen: Knetlegierungen (z. B. AlMgSi) gut umformbar; Gusslegierungen (hoher Si) wenig umbildbar.

Messung der Umbildbarkeit

Zwei gängige Methoden:

1. Druckversuch (Upsetting Test): Zylinderprobe wird zwischen zwei Platten gestaucht bis zum Riss. Maß: Höhenreduktion bis zum Bruch oder maximaler Druck.
2. Walzversuch / Biegeversuch: Bestimmung der minimal erreichbaren Blechdicke vor Rissbildung (z. B. Erichsen-Cupping-Test für Bleche – eher Zähigkeit).

In der Praxis: Umformgrenzdiagramme (FLD – Forming Limit Diagrams) für Bleche, Schmiedbarkeitsskalen für Massivumformung.

Zusammenfassung

Umbildbarkeit (Malleabilität) ist die Fähigkeit von Metallen, sich unter Druck zu Blechen/Folien verformen zu lassen. Sie basiert auf dichtestgepackten Kristallgittern (FCC, HCP) und Gleitprozessen. Nichtmetalle sind spröde (Ausnahme: Polymere). Umbildbarkeit ≠ Duktilität (Druck vs. Zug). Härte und Umbildbarkeit korrelieren meist invers (Korngrenzen). Temperaturerhöhung und Rekristallisation fördern Umbildbarkeit; Legieren und Kaltverfestigung mindern sie. Messung über Stauch- oder Walzversuche.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist essenziell für Umformtechnik, Werkstoffauswahl und Bauteilgestaltung. Ich hoffe, der Artikel war aufschlussreich. Teilen Sie ihn gerne. Vielen Dank fürs Lesen!