Um beurteilen zu können, ob sich ein Werkstoff für eine bestimmte Anwendung eignet, müssen seine physikalischen, mechanischen, technologischen und chemischen Eigenschaften bekannt sein. Beispiele für wichtige Werkstoffeigenschaften enthält Tabelle 1. Diese Eigenschaften hängen vom inneren Aufbau des Werkstoffs ab, der sich durch das Herstellungsverfahren und die Verarbeitung verändern und auch gezielt beeinflussen lässt.

Tabelle 1: Wichtige Werkstoffeigenschaften

Mechanischen

Festigkeit
statisch
Warmfestigkeit
Schwingfestigkeit

Verformbarkeit

Härte

Zähigkeit

Physikalisch

Dichte

Wärmedehnung

elektrische Leitfähigkeit

optische Eigenschaften

Chemischen

Korrosionsbeständigkeit

Hitzebeständigkeit

Reaktionsfähigkeit

Entflammbarkeit

Technologische

Gießbarkeit

Umformbarkeit

Schweißbarkeit

Härtbarkeit

Zerspanbarkeit

Umweltrelevant

Recyclebarkeit

Toxizität

Treibhauspotential

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften bestimmen in wesentlicher Weise den Einsatz eines Werkstoffes in Konstruktionen, da sie Aussagen darüber liefern, welche Belastungen der Werkstoff ohne Schädigung ertragen kann.

Mechanische Werkstoffkennwerte

Eine der wichtigsten Kenngrößen ist die Festigkeit. Ganz allgemein ist darunter der Widerstand zu verstehen, den ein Werkstoff einer Formänderung durch äußere Kräfte entgegensetzt. Bekannt ist, dass bei einem festen, harten Werkstoff von außen eine große Kraft für die Formänderung, z. B. Verbiegen, aufgebracht werden muss. Bei einem weichen Material genügt dafür hingegen eine kleinere äußere Kraft.

Die Festigkeit eines Werkstoffes ist der Widerstand gegen eine äußere Verformung.

Je nachdem, wie der Werkstoff belastet wird, werden unterschiedliche Festigkeitswerte betrachtet:

Abschleppseile, Ketten oder auch Schrauben sind typische Beispiele für eine Zugbelastung eines Werkstoffes. In diesen Fällen ist die Bestimmung der Zugfestigkeit wichtig. Gemäß DIN EN 10 002 wird das zu prüfende Material in seiner Längsrichtung durch Zugkräfte bis zum Bruch beansprucht (Bild 1).

Lagerwerkstoffe, Fundamente oder Maschinengestelle werden hingegen auf Druck beansprucht. Hier gilt der Ermittlung der Druckfestigkeit (DIN 50 106) besonderes Interesse. Bestimmt wird die Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gegen Druckkräfte (Bild 2).

Bei der Festlegung der Scherfestigkeit (nach DIN 50 141) wird der Widerstand vermittelt, den der Werkstoff einer Verschiebung in einer Querschnittsfläche entgegensetzt. Dabei tritt eine Schubbeanspruchung ein. Diese Belastungsform findet sich beim Abscheren von Blechen oder der Beanspruchung von Nieten (Bild 3, Seite 10).

Träger in Konstruktionen werden vielfach auf Biegung beansprucht. Zur sicheren Auslegung muss daher die Biegefestigkeit (Bild 1) bekannt sein. Bestimmt wird der Widerstand, den Werkstücke bei einer Durchbiegung zeigen. Der Werkstoff wird dazu an einer Seite auf Zug und auf der anderen Seite auf Druck belastet.

Sich drehende Bauteile, wie z. B. Schnittswellen, Kurbelwellen oder Bohrer, müssen einer Torsionsbelastung standhalten. Bei der in diesem Fall notwendigen Prüfung der Torsionsfähigkeit (Bild 2) wird der Widerstand ermittelt, den ein Werkstück gegenüber verdrehenden Kräften zeigt.

An schlanken Bauteilen, z. B. Pleuelstangen und Fachwerkstreben oder auch an ganzen schlanken Konstruktionen, wie z. B. Leitungsmasten, ist der Widerstand gegen Knicken von Interesse. An den Bauteilen können hier Druckkräfte in Richtung der Längsachse angreifen, bis eine Ausknickung oder der Bruch erfolgt. Bei der Bestimmung der Knickfestigkeit (Bild 3) werden die Werkstücke dabei vorwiegend auf Zug und auf Druck beansprucht.

Die bisher gezeigten Kenngrößen bezogen sich alle auf die Festigkeit des Werkstoffes. Aber auch das Verformungsverhalten eines Werkstoffes kann wichtig sein, z. B. dann, wenn er noch weiter verformt werden soll.

Die Dehnbarkeit (Dehnung) eines Werkstoffes ist seine Fähigkeit, bei einer Krafteinwirkung seine Form zu verändern (Bild 4).

Gut vorstellen lässt sich dies am Beispiel der Dehnung eines Gummibandes. Die bei einem Gummiband beim Dehnen efolgte Verformung ist elastisch, d. h., nach Entlastung nimmt der Werkstoff seine ursprüngliche Form wieder an (Bild 5). Dementsprechend wird unter der Elastizität eines Werkstoffes die Eigenschaft verstanden, nach einer Belastung wieder die Ausgangsform anzunehmen. Gummi, Kautschuk und sogar Stahl sind innerhalb bestimmter Grenzen unterschiedlich elastisch.

Ist eine Verformung hingegen dauerhaft, d. h. bleibt sie auch nach Entlastung erhalten, spricht man von einer plastischen Verformung (Bild 6). Beispielsweise kann eine metallische Feder durch eine zu große Kraft überdehnt und damit bleibend verformt werden.

Die „zu große Kraft“, die zur bleibenden Formänderung führt, wird durch die Elastizitätsgrenze gekennzeichnet – eine Kenngröße, die z. B. im Zugversuch als Dehngrenze bestimmt wird. Die Kenntnis der Elastizitätsgrenze ist notwendig, um eine tragende Konstruktion nicht zu großen Kräften auszusetzen, die zu Formänderungen führen würden. Im Fall einer gewünschten Formänderung, beispielsweise beim Hämmern eines Metalls in eine bestimmte Form, muss hingegen eine Kraft über der Elastizitätsgrenze angewendet werden.

Eine Verformung kann plastisch (bleibend, irreversibel) oder elastisch (nicht bleibend, reversibel) erfolgen.

Werkstoffe können sich bei Umformungen sehr unterschiedlich verhalten. Zähe Werkstoffe wie reines Blei oder Kupfer können bei einer Krafteinwirkung vor der Zerstörung erhebliche Formänderungen hinnehmen. Dieses Verhalten wird als Zähigkeit bezeichnet.

Spröde Werkstoffe, wie Glas, Keramik oder Grauguss zeigen bei einer Krafteinwirkung bis zur Zerstörung keine bleibende Formänderung. Sie brechen bei einer bestimmten Kraft, ohne sich vorher zu dehnen, man spricht von Sprödigkeit.

Auch die Härte gestattet Aussagen über die Festigkeit eines Werkstoffes. Unter der Härte wird der Widerstand verstanden, den ein Material dem Eindringen eines anderen härteren Körpers entgegensetzt (Bild 1). Diamant ist z. B. sehr hart, Blei ist hingegen sehr weich.

Mechanische Kennwerte für die genannten Eigenschaften werden in der Regel mit genormten Prüfverfahren ermittelt. Nachfolgend sollen hier beispielhaft die für das Verständnis wichtigsten Verfahren beschrieben werden. Für weitere und spezielle Prüfverfahren sei auf die entsprechenden Normen und auf Literatur verwiesen.

In order to be able to assess whether a material is suitable for a particular application, its physical, mechanical, technological and chemical properties must be known. Table 1 contains examples of important material properties. These properties depend on the internal structure of the material, which can be changed and specifically influenced by the manufacturing methods and processing.

Table 1: Important material properties

Mechanical

Strength
static strength
high-temperature strength
dynamic strength

deformability

hardness

toughness

Physical

density

thermal expansion

electric conductivity

optical properties

Chemical

corrosion resistance

thermal resistance

reactivity

flammability

Technological

castability

formability

weldability

hardenability

machinability

Environmentally relevant

recyclability

toxicity

global-warming potential

Mechanical properties

Mechanical properties essentially determine the applications of a material in constructions, since they provide information about the loads the material can withstand without damage.

Mechanical material parameters

One of the most important parameters is strength. Quite generally, it is to be understood as the resistance that a material opposes to a change in shape caused by external forces. It is known that with a solid, hard material a great force must be applied from the outside for a large force for change in shape, eg bending. With a soft material, however, a smaller external force is sufficient.

The strength of a material is the resistance to external deformation.

Depending on how the material is loaded, different strength values are considered:

Tow ropes, chains or screws are typical examples of a tensile load on a material. In these cases, determining the tensile strength is important. According to DIN EN 10 002, the material to be tested is subjected to tensile forces in its longitudinal direction until it breaks (Fig. 1).

Bearing materials, foundations or machine frames, on the other hand, are subjected to pressure. The determination of the compressive strength (DIN 50 106) is of particular interest here. The resistance of materials to compressive forces is determined (Fig. 2).

When determining shear strength (in accordance with DIN 50 141), the resistance that the material opposes to a displacement in a cross-sectional area is conveyed. A shear stress occurs. This type of load occurs when sheet metal is sheared off or rivets are loaded (Fig. 3, page 10).

Beams in structures are often subjected to bending. The flexural strength (Fig. 1) must therefore be known for a safe design. The resistance that workpieces show when they deflect is determined. The material is subjected to tension on one side and compression on the other side.

Rotating components, such as cut shafts, crankshafts or drills have to withstand a torsional load. During the test of the torsional ability (Fig. 2), which is necessary in this case, the resistance that a workpiece shows against twisting forces is determined.

On slender components, connecting rods and truss struts or even on whole slender structures, such as line poles, resistance to buckling is of interest. Here, compressive forces in the direction of the longitudinal axis can act on the components until they are bent or broken. When determining the buckling strength (Fig. 3), the workpieces are mainly subjected to tension and compression.

The parameters shown so far all related to the strength of the material. But the deformation behavior of a material can also be important, for example when it is to be further deformed.

The ductility (elongation) of a material is its ability to change its shape when a force is applied (Fig. 4).

This can be easily imagined using the example of the stretching of a rubber band. The deformation that occurs in a rubber band when it is stretched is elastic; in other words, after the unloading, the material returns to its original shape (Fig. 5). Accordingly, the elasticity of a material is understood as the property of returning to its original shape again when unloaded. Rubber, elastomer and even steel are differently elastic within certain limits.

If, however, a deformation is permanent, i.e. it is retained even after the load is removed, it is referred to as plastic deformation (Fig. 6). For example, a metallic spring can be overstretched by too great a force and thus permanently deformed.

The force that is "too great" and leads to permanent change in shape is characterized by the elastic limit - a parameter that is determined, for example as the yield strength in the tensile test. Knowledge of the elastic limit is necessary in order not to subject a load-bearing structure to excessive forces that would lead to changes in shape. In the case of a desired change in shape, for example when hammering a metal into a certain shape, a force above the elastic limit must be applied.

Deformation can be plastic (permanent, irreversible) or elastic (non-permanent, reversible).

Materials can behave very differently during forming. Tough materials such as pure lead or copper can undergo considerable changes in shape when a force is applied before they are destroyed. This behavior is referred to as toughness.

Brittle materials such as glass, ceramics or gray cast iron show no permanent change in shape when force is applied until they are destroyed. They break at a certain force without stretching beforehand; one speaks of brittleness.

The hardness also allows statements about the strength of a material. Hardness is understood as the resistance that a material offers to the penetration of another, harder body (Fig. 1). For example diamond is very hard, but lead is very soft.

Mechanical parameters for the properties mentioned are usually determined using standardized test methods. The most important procedures for understanding are described below as examples. For further and special test methods, reference is made to the relevant standards and literature.