Festigkeit von Stahl – Arten, Messung, Anwendungen

Dass Stahl als besonders fester Werkstoff gilt, ist allgemein bekannt. Selbst im Volksmund hat sich diese Eigenschaft mit dem Spruch “fest wie Stahl sein” verewigt. Doch was genau bedeutet eigentlich die Festigkeit von Stahl? Wie wird sie gemessen und wieso ist sie so wichtig? Als Experten für den Metallbau München und die Metallverarbeitung München kennen wir uns bestens mit diesem Thema aus und beantworten alle wichtigen Fragen in diesem Beitrag.  

Was genau ist die Festigkeit von Stahl? 

Wenn wir von der Festigkeit von Stahl sprechen, meinen wir in diesem Beitrag eigentlich die Stahl Zugfestigkeit. Diese gibt an, wie gut das Material einer Belastung durch Zug standhält. Die Zugfestigkeit ist also die maximale Zugkraft, die ein Werkstoff pro Querschnittsfläche vor dem Versagen aushalten kann. Der Wert wird in der Einheit Megapascal (MPa) angegeben. 1 MPa entspricht einer Kraft von 1 Meganewton (MN) pro Quadratmeter. Die Formel mit der diese Art der Festigkeit von Stahl berechnet werden kann, lautet demnach:

Weitere Arten von Festigkeit

Neben der Zugfestigkeit gibt es auch noch andere Festigkeitsarten, die genutzt werden können, um die Festigkeit von Stahl zu messen. Diese sind: 

• Druckfestigkeit: Wie viel Druck kann das Material aushalten, bevor es versagt, indem es sich dauerhaft verformt oder zu Bruch geht? Berechnet wird diese Festigkeit von Stahl mit der Formel:
• Biegefestigkeit: Wie weit lässt sich das Bauteil biegen, bis es versagt, indem es sich dauerhaft verformt oder zu Bruch geht? Die Formel dazu lautet:
• Knickfestigkeit: Ist die maximale Knickfestigkeit erreicht, kommt es beim Material in der Regel zu einem plötzlichen Versagen aufgrund von Druckspannung. Berechnet wird die Knickfestigkeit mithilfe der sogenannten Euler’schen Knickfälle. 
• Scherfestigkeit: Diese Art der Festigkeit von Stahl bezeichnet die maximale Schubspannung mit der das Bauteil von den tangentialen Scherkräften belastet werden kann. Die Formel hierfür lautet:
• Torsionsfestigkeit: Eine weitere Bezeichnung dieser Art der Festigkeit von Stahl lautet “Verdrehungsfestigkeit”. Diese stellt die Festigkeit eines Werkstoffes gegen das Verdrehen dar. Gleichzeitig gibt sie den Torsionsmoment an, bei dem das Bauteil versagt.

Festigkeit von Stahl – so misst man die Zugfestigkeit

Um die Festigkeit von Stahl zu verstehen, muss man sich zunächst die atomaren Strukturen des Materials anschauen. Die auf dieser Ebene im Gefüge vorhandenen Kristallstrukturen, d.h. die Bindungen zwischen den Metallatomen, ermöglichen die Übertragung der so genannten Zugkräfte.

Die Messung der Festigkeit von Stahl erfolgt dann über genormte Zugversuche. Dazu gehören: 

• ISO 6892 für metallische Werkstoffe
• ISO 527 für Kunststoffe, oder
• die AISI-Klassifikation.

Mehrere Versuche dienen dazu, die Ergebnisse im Anschluss vergleichen zu können, und so besonders exakte Resultate zu erzielen. So wird die maximale Zugkraft ermittelt, die eine genormte Stahlprobe aufnehmen kann, bevor sie versagt und bricht. Wie bereits erwähnt, wird als Formel die maximale Zugkraft (Fmax) durch den Ausgangsquerschnitt (Ao) des Zugstabes dividiert (Rm = Fz / Ao).

In der Praxis läuft die Messung der Festigkeit von Stahl folgendermaßen ab: 

Die Probe wird in Form eines Proportionalstabes in eine Zugprüfmaschine eingespannt. Auf diese wird im Verlauf des Versuches immer mehr einachsige Zugkraft wirken. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven werden aufgezeichnet, genauso wie unter anderem auch Bruchdehnungen. Mithilfe dieser Messwerte, die die Dehngrenze aufzeigen, lässt sich im Anschluss identifizieren, wo der elastische Bereich liegt, in welchem sich der Stahl reversibel deformiert, und wo der plastische Teil ist, der dauerhaft verformt bleibt. 

Nun fragen Sie sich möglicherweise, welcher Stahl die höchste Zugfestigkeit aufweist. Denn diese variiert zwischen den verschiedenen Sorten. Innerhalb der Strukturmetalle haben Stahl- und Titanlegierungen die höchsten Werte. Mit Titan können bis zu 1200 N/mm² erreicht werden. 

Möchten Sie mehr über die Festigkeitswerte verschiedener Stahlsorten erfahren? Im Internet gibt es eine Vielzahl von “Festigkeit Stahl Tabellen”. Hier gibt es pro Stahlsorte eine Zugfestigkeitsnummer, eine sogenannte “Streckgrenze” und eine sogenannte “Bruchdehnung”. 

Festigkeit von Stahl – diese Faktoren spielen ebenfalls eine Rolle

• Herstellungsprozess
• Zusammensetzung des Materials (Ein geringer Kohlenstoffgehalt ermöglicht eine besonders hohe Festigkeit von Stahl genauso wie Zähigkeit.)
• Wärmebehandlung (Die Methode des Vergütens, die die Kristallstruktur und die Härte des Stahls verändert, beeinflusst die Festigkeit des Stahls ebenfalls maßgeblich.) 
• Legierungen (Chrom, Nickel oder Molybdän werden häufig verwendet, um die mechanischen Eigenschaften von Stahl zu verbessern und damit auch die Stahl Festigkeit zu erhöhen.)
• hohe Temperaturen (Als kritische Temperatur, die die Festigkeit von Stahl beeinflussen kann, wird oftmals 400°C angegeben. Allgemeingültig lässt sich dies jedoch nicht sagen, da dieser Wert von Stahlsorte zu Stahlsorte variieren kann. Niedrige Temperaturen hingegen führen häufig zu einer höheren mechanischen Festigkeit und geringeren Bruchdehnung.)
• Korrosion (Die Festigkeit des Stahls kann auch dann beeinflusst werden, wenn das Bauteil durch Korrosion beeinflusst bzw. beeinträchtigt wurde. Dies ist natürlich bei Werkstoffen der Fall, die bereits über einen längeren Zeitraum mit anderen Stoffen reagieren.)
• Zeitlicher Rahmen der Belastung (Natürlich spielt auch die Dauer der Belastung eine Rolle. Wird das Bauteil nur wenige Sekunden belastet, kann es sein, dass es diesen Belastungen standhält. Bei mehreren Minuten oder sogar Stunden kann sich dies aber natürlich ändern.)

Zugfestigkeit von Stahl – warum ist diese so wichtig? 

Der Messwert der Festigkeit von Stahl bestimmt eine Vielzahl von Faktoren: das Design des Produkts, die Stabilität und Sicherheit sowie die Langlebigkeit. Aufgrund dessen ist die richtige Messung so essenziell. Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die Luftfahrtindustrie. Die Festigkeit von Stahl ist in diesem Fall wichtig für die Gewichtsoptimierung von Flugzeugstrukturen, denn das trägt unter anderem dazu bei, dass weniger Treibstoff verbraucht wird, was sowohl finanziell als auch umwelttechnisch positiv zu bewerten ist. Dasselbe gilt übrigens für Autos und andere Fahrzeuge aller Art.

Auch in der Energiebranche spielt diese Art der Festigkeit von Stahl eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel hierfür ist die Konstruktion von Pipelines, die in der Lage sein müssen, enormen Belastungen standzuhalten. Anwendung findet die Zugfestigkeit auch in vielen weiteren Branchen, unter anderem im Maschinenbau. 

Festigkeit von Stahl – Fazit

Es gibt verschiedene Arten von Festigkeit eines Werkstoffes. Diese tragen die Namen Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit, Knickfestigkeit, Scherfestigkeit und Torsionsfestigkeit. Sie alle werden mit unterschiedlichen Formeln ausgerechnet. Besonders wichtig für Bereiche wie die Luftfahrtindustrie, die Energiebranche oder den Maschinenbau ist die Zugfestigkeit. Diese gibt die maximale Zugfestigkeit an, die ein Werkstoff pro Querschnittsfläche vor dem Versagen aushalten kann. Gemessen wird diese über genormte Zugversuche. Faktoren, die die Festigkeit von Stahl beeinflussen können, sind der Herstellungsprozess, die Zusammensetzung des Materials, entsprechende Wärmebehandlung, Legierungen, zum Beispiel mit Chrom oder Nickel, die Temperatur während des Versuches, Korrosion und der zeitliche Rahmen der Belastung. 

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