Festigkeit, Steifigkeit und Härte — was ist der Unterschied?

Stärke

Die Festigkeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen bleibende Verformung oder vollständigen Bruch unter Belastung. Starke Materialien sind in der Lage, starken Stößen standzuhalten und große Energiemengen zu absorbieren und zu verteilen, ohne dabei zu brechen. Die Flexibilität eines Materials wirkt sich nicht negativ auf seine Festigkeit aus, da selbst die biegsamsten Materialien, die bruchfest sind, technisch sehr stark sind, ohne besonders robust zu sein.

Bei Metallen kann die Festigkeit auf verschiedene Weise erhöht werden. Das Abschrecken kann durchgeführt werden, um die kristalline Struktur eines Metalls zu straffen und zu verstärken, und durch Anlassen können alle schwächenden Spannungen innerhalb des Metalls beseitigt werden. Das Härten wird häufig verwendet, um die beim Abschrecken entstehenden Spannungen abzubauen. Bauteile wie die 12,9-Zylinderkopfschrauben aus gehärtetem Stahl sind sowohl gehärtet als auch vergütet, um optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Die Festigkeit wird auf verschiedene Arten gemessen. Zwei der gängigsten Messungen sind Zugfestigkeit und Streckgrenze:

• Streckgrenze — Die Kraft, der ein Material standhalten kann, wenn es von gegenüberliegenden Seiten gezogen wird, ohne dass es zu einer dauerhaften Verformung kommt.
• Zugfestigkeit — Die Kraft, der ein Material standhalten kann, wenn es von gegenüberliegenden Seiten gezogen wird, ohne dass es vollständig zerbricht. Wird auch als ultimative Zugfestigkeit bezeichnet.

Steifigkeit

Die Steifigkeit, auch Steifigkeit genannt, ist ein Maß für die Elastizität und gibt an, wie widerstandsfähig ein Material gegen bleibende Verformung ist. Die Steifigkeit steht in engem Zusammenhang mit der Festigkeit, unterscheidet sich jedoch darin, dass spröde Materialien zwar steif, aber nicht fest sein können und weichere, verformbare Metalle wie Blei zwar fest, aber nicht steif sein können. Steifigkeit ist die Biegefestigkeit eines Materials, wohingegen Festigkeit die Bruchfestigkeit eines Materials ist.

Die Steifigkeit wird gemessen, indem der Young-Modul eines bestimmten Materials ermittelt wird. Der Young-Modul wird gemessen, indem die auf ein Material einwirkende Spannung durch die Dehnung geteilt wird, der es ausgesetzt ist.

Härte

Die Härte ist die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Oberflächenverformung. Härtere Oberflächen sind größeren inneren Spannungen ausgesetzt und neigen dazu, ihre Sprödigkeit zu erhöhen. Für ihre strukturelle Festigkeit sind sie oft auf ungehärtetes inneres Material angewiesen. Da Härte nur ein Widerstand gegen Oberflächenverformungen ist, wird sie oft nur auf Oberflächenebene verbessert, da Behandlungen, die die Kernhärte deutlich erhöhen, auch zu Sprödigkeit führen können. Die Härte kann oft leicht durch Oberflächenbehandlungen wie Einsatzhärten oder Beschichten verändert werden.

Die Härte wird auf verschiedene Arten gemessen. Eine der gängigsten Methoden ist das Eindrücken, bei dem die Kraft berechnet wird, die erforderlich ist, um eine Einkerbung auf der Oberfläche des Materials zu hinterlassen. Es stehen verschiedene Typen von Härteprüfgeräten für Messungen auf einer Reihe von Härteskalen zur Verfügung:

• Brinell-Skala — Die erste standardisierte Härteprüfung. Verwendet einen relativ großen sphärischen Eindringkörper, der unebene Oberflächen messen kann.
• Rockwell-Skala — Verwendet einen konischen oder sphärischen Eindringkörper. Weniger zerstörerisch und schneller als die Brinell-Skala.
• Vickers-Skala — Verwendet einen quadratischen Pyramideneindringkörper für eine hochgenaue Ablesung.
• Härtegradmesser an der Küste — Verwendet eine Reihe von Eindringkörperformen für unterschiedliche Härtegrade. Wird häufig für Gummi und Kunststoffe verwendet.

Zusammenhang zwischen Festigkeit, Steifigkeit und Härte

Festigkeit, Steifigkeit und Härte sind wichtige Überlegungen bei der Auswahl des idealen Materials für eine Anwendung. Die verschiedenen Vorteile der einzelnen Eigenschaften sollten bei jeder Anwendung sorgfältig abgewogen werden, da ein Merkmal oft auf Kosten eines anderen geht. Materialien, die gegen diese Regel verstoßen, wie Diamant, sind selten und oft aus genau diesem Grund unglaublich wertvoll.

Zum Beispiel ist das besonders empfindliche Material Glas bei bestimmten Hochleistungsschneidanwendungen ein eher unwahrscheinlicher Favorit. Aufgrund der enormen Oberflächenhärte von Glas kann es an einer viel schärferen und härteren Stelle bearbeitet werden als bei Alternativen aus Metall. Das macht es zu einem günstigen Material für Anwendungen, bei denen die positiven Aspekte die negativen überwiegen und bei denen die Festigkeit nicht der einzige zu berücksichtigende Faktor ist. Diese superscharfen Spitzen, die typisch für die extreme Oberflächenhärte von Glas sind, sind auch der Grund, warum Glas so gefährliche Scherben erzeugt, wenn es zerbricht. Harte (aber sehr spröde) Skalpelle aus vulkanischem Glas werden heute in einigen der anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Mikrochirurgie, wo weichere (aber stärkere) Metallwerkzeuge nicht so sauber in Weichteile schneiden.

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