Kupfer besitzt bemerkenswerte Eigenschaften, die es in vielen Industriezweigen äußerst begehrt machen. Insbesondere seine Verformbarkeit und Festigkeit sind von großer Bedeutung. Um diese beiden Eigenschaften bestmöglich zu nutzen, ist jedoch die richtige Materialverarbeitung entscheidend.
Sowohl Duktilität als auch Festigkeit sind äußerst wünschenswerte Eigenschaften von Kupferlegierungen. Kupfer und seine Legierungen zeichnen sich durch hohe Duktilität und vergleichsweise hohe Festigkeit aus. Diese Kombination, zusammen mit weiteren charakteristischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit, macht Kupfer vielseitig einsetzbar. Dieser Blogbeitrag konzentriert sich jedoch insbesondere auf das Verhältnis zwischen Duktilität und Festigkeit.
Was ist Duktilität?
Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor es zu einem Versagen, beispielsweise Bruch, kommt. Dabei bleibt das Volumen des Materials konstant. Die Duktilität variiert je nach Material: Während Glas ohne signifikante Verformung bricht, kann Stahl um mehr als 25 % verformt werden, bevor er reißt. Wenn ein Material nur geringfügig verformbar ist, wie etwa Glas, wird es als spröde bezeichnet.
Es gibt zwei Maßstäbe für die Duktilität: die Dehnung und die Flächenverringerung.
- Die Dehnung wird als prozentuale Zunahme der ursprünglichen Messlänge der Probe angegeben und nach dem Bruch der Probe gemessen.
- Die Flächenverringerung wird als prozentuale Abnahme der ursprünglichen Querschnittsfläche angegeben und nach dem Bruch der Probe gemessen.
Während die Dehnung von der Messlänge abhängt, ist die Verringerung der Fläche nicht davon abhängig.
Was ist Festigkeit?
Die Festigkeit eines Materials beschreibt seine Fähigkeit, mechanischen Belastungen standzuhalten, bevor es zu einem Versagen kommt, beispielsweise ungewolltem Biegen oder Brechen. Sie gibt die maximale Spannung an, der ein Material während seiner Verformung widerstehen kann. Normalerweise weisen Legierungen eine höhere Festigkeit auf als reine Metalle.
Materialien mit hoher Festigkeit sind ideal für den Leichtbau, jedoch im Allgemeinen schwerer zu bearbeiten. Dies führt zu einem Dilemma zwischen Festigkeit und Duktilität, bei dem eine Erhöhung der Festigkeit zwangsläufig zu einer Verringerung der Duktilität und umgekehrt führt. Werfen wir einen Blick auf einige der gängigsten Methoden zur Verstärkung des Materials.
Verstärkung durch Einschränkung der Versetzungsbewegung
- Mischkristallhärtung: Dieser Ansatz verändert die mechanischen Eigenschaften von Festkörpern, indem Zwischengitteratome oder Substitutionsatome in das Kupfer eingebaut werden. Dies geschieht durch Zugabe anderer metallischer Elemente wie Beryllium, Zinn, Aluminium oder Nickel. Diese Elemente hemmen die Versetzungsbewegung und steigern somit die Festigkeit. Die verschiedenen Elemente beeinflussen die Erhöhung der Festigkeit in unterschiedlichem Maße.
- Kaltumformung: Bei der Kaltumformung werden die Metalle unterhalb der Rekristallisationstemperatur geformt. Dies führt dazu, dass sich die Körner in Richtung der Verformung dehnen, wodurch der durchschnittliche Abstand zwischen den Versetzungen verringert wird. Dies blockiert die Bewegungen und erhöht die Festigkeit der Legierung, verringert jedoch gleichzeitig ihre Duktilität. Die nachstehende Abbildung veranschaulicht die Auswirkungen der Kaltumformung am Beispiel von AMPCOLOY® 83.
- Kornverkleinerung: Bei der Korngrößenreduzierung wird durch geeignete Wärmebehandlung oder Schmelzeinbringung ein feineres, kleineres Korn im Gefüge erzeugt. Obwohl dies nur einen geringen Einfluss auf die Festigkeit hat, werden Kupferlegierungen mit kleineren Körnern fester.
Optimale Kombination von Festigkeit und Duktilität
Die Methode des Ausscheidungshärtens hat sich als die geeignetste erwiesen, um die optimale Kombination von Festigkeit und Duktilität in Kupferbasislegierungen zu erreichen. Dabei werden kleine, gleichmäßig verteilte Teilchen gebildet, die als Hindernisse für die Versetzungsbewegungen dienen. Dies führt zu einer höheren Festigkeit bei gleichbleibender Duktilität. Dieses Verfahren hat sich beispielsweise bei AMPCOLOY® 940 und AMPCOLOY® 972 als äußerst effektiv erwiesen.
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