Tutorial: Elastizitätsmodul von Stahl - Fachbereich Werkstoffe

Stahl ist ein wichtiger Werkstoff in der modernen Industrie und wird für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. Eine entscheidende Eigenschaft, die bei der Verwendung von Stählen berücksichtigt werden muss, ist ihre Elastizität. Der Elastizitätsmodul oder Youngscher Modul gibt an, wie viel Spannung erforderlich ist, um einen bestimmten Grad an Dehnung zu erreichen. In diesem Artikel werden wir uns mit den verschiedenen Arten von Stählen und ihren jeweiligen Elastizitätsmoduln befassen.

Was ist Stahl?

Stahl besteht hauptsächlich aus Eisen (Fe) sowie Kohlenstoff (C), aber auch andere Elemente können zugesetzt werden, um seine Eigenschaften zu verbessern oder anzupassen.

Die meisten kommerziell erhältlichen Sorten haben einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 % und 2 %. Die genaue Zusammensetzung variiert je nach Hersteller und Verwendungszweck des Materials.

Dank moderner Technologien und Forschungsergebnisse können heutzutage Stahlsorten hergestellt werden, die über eine beeindruckende Kombination von Eigenschaften verfügen. Diese Eigenschaften sind das Ergebnis gezielter Zugabe von Legierungselementen wie Chrom, Molybdän oder Nickel in bestimmten Mengenverhältnissen.

Die Begleitelemente im Stahl spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bestimmung seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften. Kohlenstoff beispielsweise erhöht die Härte des Materials, während Schwefel es spröde macht.
Darüber hinaus ist auch die Kristallstruktur des Stahls nach Verformung sowie sein Wärmebehandlungszustand entscheidend für seine endgültigen mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften. Durch kontrollierte Abkühlungs- oder Erwärmungsprozesse kann ein gewünschter Zustand erreicht werden.

Welche Stahlsorten gibt es?

Es gibt eine breite Palette an verschiedenen Stahlsorten, die für verschiedene Zwecke hergestellt werden. Einige der häufigsten Arten sind Kohlenstoffstahl, legierter Stahl und rostfreier Stahl.

Kohlenstoffstähle haben einen hohen Kohlenstoffgehalt und werden oft für Konstruktionselemente wie Träger oder Brücken verwendet. Sie können auch in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, da sie hart genug sind, um Schnitte durchzuführen. Kohlenstoffstähle sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Härte ein beliebtes Material im Sondermaschinenbau. Sie eignen sich besonders für Bauteile, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, wie beispielsweise Zahnräder oder Wellen.

Legierte Stähle enthalten neben Eisen noch andere Elemente wie Chrom oder Molybdän. Diese Zusätze verbessern die Festigkeit des Materials sowie seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser oder Luftfeuchtigkeit. Im Sondermaschinenbau kommen legierte Stähle beispielsweise bei der Herstellung von Werkzeugmaschinenteilen zum Einsatz. Auch bei der Fertigung von Spezialanlagen für den Berg- und Tunnelbau sowie beim Bau von Kränen werden häufig legierte Stähle verwendet.

Rostfreie (Edel-)Stähle zeichnen sich durch ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rost aus - daher ihr Name "rostfrei". Dies macht sie ideal für den Einsatz im Freien sowie in Umgebungen mit Feuchtigkeitsbelastung wie Küchenutensilien oder medizinische Geräte. Rostfreie Stähle und Edelstähle sind im Sondermaschinenbau unverzichtbar. Sie bieten eine hohe Korrosionsbeständigkeit, was besonders in feuchten oder aggressiven Umgebungen von Vorteil ist.

Neben diesen drei Haupttypen sind viele weitere spezialisierte Stahlsorten auf dem Markt erhältlich: Hochtemperatur-Stähle finden zum Beispiel Verwendung bei extrem heißen Bedingungen; Elektroband-Stähle wiederum ermöglichen höhere Energieeffizienz bei elektrischen Transformatoren; Federstähle kommen vor allem beim Bau von Federn zum Einsatz.

Was ist der Elastizitätsmodul bei Stahl?

Wie wird der Elastizitätsmodul bei Stahl ermittelt?

Der Elastizitätsmodul wird durch den linearen Bereich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm definiert.

Bei uniaxialer Belastung im Zugversuch lässt sich dieser lineare Bereich gut erkennen: Je höher die aufgebrachte Zugkraft, desto stärker dehnt sich das Material aus - jedoch immer proportional zur Kraft. Die Steigung dieses linear-elastischen Bereiches ergibt dann den Elastizitätsmodul des Materials.

Aus dieser Ableitung gilt das Hookesche Gesetz mit:

E-Modul verschiedener Stahlsorten

Es ist wichtig zu beachten, dass das E-Modul nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Materials abhängt, sondern auch vom Herstellungsprozess sowie den mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Festigkeit beeinflusst wird.

Je höher das E-Modul einer bestimmten Stahlsorte ist, desto belastbarer sind damit hergestellte Konstruktionen unter Lasteinwirkungen.