Von elastisch über plastisch bis zum Bruch!

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1 Von elastisch über plastisch bis zum Bruch! Roland Strietzel Fragestellung: Wie werden die mechanischen Kennwerte einer Legierung bestimmt und was sagen diese aus? Quintessenz: Mithilfe einer Universalprüfmaschine werden in einem Zugversuch die wesentlichen mechanischen Parameter von metallischen Werkstoffen gemäß ISO bestimmt. Der Elastizitätsmodul, die und die Bruchdehnung charakterisieren die Festigkeit einer Legierung. Einleitung Dentallegierungen müssen eine Vielzahl von Voraussetzungen erfüllen, damit die daraus hergestellten Restaurationen den in der Mundhöhle herrschenden Gegebenheiten widerstehen können: Zahntechnische Verarbeitbarkeit Gießbarkeit Ausbettverhalten (Reaktion mit Einbettmassen) Ausarbeiten (Zerspanbarkeit/Fräsbarkeit, Polierbarkeit) Mechanische Festigkeit Elastizitätsmodul Bruchdehnung Warmfestigkeit Härte Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) Chemisches Verhalten Verfärbungen Korrosion Biologisches Verhalten Zahntechniker Zahnarzt Patient Wesentliche mechanische Eigenschaften werden mithilfe des Zugversuchs bestimmt. Dieser ist in der ISO beschrieben und ist Grundlage für die Einteilung von metallischen Dentalwerkstoffen in Typen. Der Zugversuch und die aus ihm gewonnenen Informationen sollen im Folgenden dargestellt werden. Der Einfluss von Kräften auf das Metallgitter Dentallegierungen liegen vorwiegend in drei Gittertypen (kubisch-raumzentriert, kubisch-flächenzentriert und hexagonal dichteste Kugelpackung) vor. Die Gitter können als Substitutions- (Fremdatome liegen auf Plätzen im Kristallgitter) oder Einlagerungsmischkristalle (Fremdatome liegen auf Zwischengitterplätzen) vorliegen. Unabhängig davon kann man durch diese Gittertypen virtuelle Ebenen legen. An diesen Ebenen können die Materialien aneinander vorbeigleiten, wenn Kräfte wirken. Die Ebenen werden dann als Gleitebenen bezeichnet. Je mehr von diesen Ebenen vorliegen (hängt vom Kristallgitter ab) und je leichter sie gegeneinander gleiten können (hängt von Art und Anzahl der Fremdatome ab), desto verformbarer (duktiler) ist das betreffende Metall. Bei geringer Krafteinwirkung können die Bindungskräfte der einzelnen Atome nicht überwunden werden (siehe A in Abb. 1) und es kommt zu keiner Verformung. Wird die Kraft gesteigert, können Gleitebenen gegeneinander verschoben werden. Bei geringer Kraft stellen sich bei Entlastung die Gleitebenen in den Ausgangszustand zurück (B). In diesem Fall spricht man von einer reversiblen, einer elastischen Verformung. Bei höheren Kräften stellen sich die Gleitebenen nicht mehr zurück (C). Dann liegt eine irreversible, plastische Verformung vor. Einzelne Atome nehmen neue Plätze ein. Das Werkstück ändert seine Geometrie und bleibt verformt. Kräfte können durch Zug-, Druck-, Scher- oder Rotationsspannungen wirken. Klinisch wirken Zugkräfte nur in den seltensten Fällen. Sie lassen sich aber experimentell leicht darstellen. Druckkräfte treten häufiger auf. Ein Druckversuch liefert die analogen Einflussgrößen ebenso wie der Zugversuch. Scher- und Rotationskräfte sind komplexer Natur und damit deutlich schwerer experimentell darzustellen. Bei den metallischen Werkstoffen hat sich daher der Zugversuch durchgesetzt. Durch den Vergleich mit klinischen Daten wird die Relevanz bestätigt. 547

2 Kraft Kraft A B C Keine Verformung Elastische Verformung Plastische Verformung (keine oder sehr geringe (geringe Krafteinwirkung) (hohe Krafteinwirkung) Krafteinwirkung) Abb. 1 Schematische Darstellung des Einflusses von Kräften auf ein Metallgitter. Zur besseren Übersicht wurde eine zweidimensionale Darstellung gewählt. Die Ebenen muss man sich senkrecht zur Papierfläche vorstellen. Naturgemäß kommt es zu keiner Veränderung des Gitters, wenn keine oder sehr geringe Kräfte wirken. Die einzelnen Atome verbleiben auf ihren Ruhepositionen (A). Bei höheren Kräften können Gleitebenen gegeneinander verschoben werden. Nach Einwirken der Kraft kehren die Atome in ihre Ruhelage zurück. Auch jetzt ist keine bleibende Deformation eingetreten (B). Erst wenn die Kraft einen bestimmten Betrag überschritten hat, werden die Gleitebenen bleibend gegeneinander verschoben (C). Dehnungs- Messfühler Abb. 2 Hantelförmige Prüfkörper (5-Cent-Stück zum Größenvergleich) werden in Halterungen eingespannt und bis zum Zerreißen auf Zug belastet, siehe auch vorige Folge (QZ 3/2013, S. 414). Die dazu benötigte Kraft und die Dehnung des Prüfkörpers werden aufgezeichnet. Der Zugversuch Beim Zugversuch werden gemäß ISO hantelförmige Prüfkörper mit genau definierten Abmessungen in Halterungen eingespannt. Eine Traverse (meist die obere) der verwendeten Universal-Prüfmaschine wird dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt und der Prüfkörper bis zum Bruch auseinandergezogen. Mit geeigneten Methoden (hängt von der Prüfmaschine ab) werden die Kraft und der zurückgelegte Weg der Traverse (= Dehnung der Probe) bestimmt (Abb. 2). Aus der Kraft und dem bekannten Querschnitt des Prüfkörpers wird die Zugspannung (= Kraft pro Fläche in MPa) berechnet. Diese wird gegen die ebenfalls gemessene Dehnung = l (Längenänderung) / l 0 (Ausgangslänge) aufgetragen und man erhält ein Spannungs-Dehnungs- Diagramm. Dieses weist einen typischen Verlauf auf (Abb. 3). Bei Beginn der Belastung besitzt das Spannungs-Dehnungs-Diagramm einen geraden Verlauf. Dieser geht irgendwann in einen gekrümmten Verlauf über und überschreitet ein Maximum. Bei einer bestimmten Kraft reißt der Körper und der Versuch ist beendet. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm besitzt nun ein paar charakteristische Merkmale. Zum einen ist es die Steigung des geraden Verlaufs. Dann ist der Übergang vom geraden zum gekrümmten Verlauf von Interesse. Ein weiteres Charakteristikum ist die maximale Steigung. Von Bedeutung ist auch der Punkt, an dem der Prüfkörper reißt. In der Zahnheilkunde wird die Querschnittsveränderung (Einschnüren des Querschnitts vor dem Bruch) des Prüfkörpers nicht berücksichtigt. Man erhält dadurch ein physikalisch unsinniges Spannungs-Dehnungs-Diagramm, da man einer Zugspannung z. T. zwei Dehnungen zuweisen kann: Dies ist physikalisch unsinnig. Würde man die Querschnittsveränderung (= Einschnürung des Prüfkörpers) berücksichtigen, wäre dies zwar nicht der Fall, dies wäre aber aufwendiger und würde keine neuen oder anderen Erkenntnisse bringen. Daher wird im Dentalbereich darauf verzichtet. Der Zugversuch gehört zum Standardrepertoire der Legierungsentwicklung und Qualitätskontrolle. So werden bei Bego, Bremen, die Legierungen in regelmäßigen Abständen überprüft. Während der Entwicklung werden Legierungen in verschiedenen Zuständen geprüft. Dazu wer- 548

3 A B Abb. 3 Spannungs-Dehnungs- Diagramme von verschiedenen EM- und EMF-Legierungen (alle Fa. Bego): A = Wirobond 280 (aufbrennfähige CoCr- Legierung), B = BegoPal 300 (aufbrennfähige Palladium- Legierung), C = Wironium Plus (Modellguss-Legierung), D = InLloyd 100 und E = Bio Ponto- Star XL (beide: aufbrennfähige Gold-Legierung), F = Platin- Lloyd 100 (nicht aufbrennfähige Gold-Legierung). Unabhängig von der Zusammensetzung zeigen alle Diagramme einen vergleichbaren Verlauf. C E D F den Prüfkörper mit verschiedenen Gussgeräten gegossen und im gebrannten und gefügten Zustand geprüft. 1 Der Elastizitätsmodul Die Steigung des geraden Bereichs des Spannungs- Dehnungs-Diagramms entspricht dem Elastizitätsmodul (E-Modul) (Abb. 4). Der E-Modul ist ein Maß für die elastische Verformbarkeit von Materialien. Je höher der E- Modul ist (= je steiler der Anstieg des geraden Kurvenverlaufs), desto mehr Kraft benötigt man, um ein Werkstück elastisch zu verformen. Physikalisch entspricht der E-Modul dem Proportionalitätsfaktor im Hookeschen Gesetz 1. Zahntechnisch bedeutet dies, dass für Restaurationen mit hoher Belastung Material mit einem möglichst hohen E- Modul verwendet werden sollte. Eine Verformung, auch eine elastische, sollte vermieden werden. Eine keramische Verblendung wird schon bei einer sehr geringen Verformung des Gerüsts abplatzen, auch wenn sie reversibel ist. Daher müssen Gerüste, die keramisch verblendet werden sollen, eine hohe Steifigkeit aufweisen, also ausreichend stark modelliert und aus einem Material mit möglichst hohem E-Modul hergestellt sein. Elastizitätsmodul E Elastischer Bereich Plastischer Bereich Abb. 4 Schematische Darstellung des E-Moduls = Steigung des geraden Verlaufs des Spannungs-Dehnungs-Diagramms. Zahntechniker sprechen oft von weichen oder harten Legierungen. Dies ist werkstoffkundlich aber nicht korrekt. Die Härte ist eine Oberflächeneigenschaft. Sie ist ein grobes Maß für die Bearbeitbarkeit von Oberflächen (Spanbarkeit, Politur) und das Abrasionsverhalten. Meist meint der Zahntechniker den E-Modul, wenn er von hart/weich spricht. 549

4 0,2-%-Dehnung? Großer Wert für E und Großer Wert für E, kleiner Wert für Kleiner Wert für E, großer Wert für Elastischer Bereich Plastischer Bereich Abb. 5 Schematische Darstellung der. Sie markiert den Übergang vom elastischen zum plastischen Bereich. Kleiner Wert für E und Abb. 6 Schematische Gegenüberstellung von Legierungen mit unterschiedlichen Werten für E-Modul und. Die Bewirkt eine Kraft bzw. Spannung eine Dehnung von 0,2 %, wird der Geltungsbereich des Hookeschen Gesetzes verlassen. Die Gerade des Spannungs-Dehnungs- Diagramms geht in einen gekrümmten Verlauf über (Abb. 5). Die Grenze ist willkürlich gesetzt, aber international akzeptiert. Die markiert das Ende des geraden Bereichs des Spannung-Dehnungs-Diagramms und kennzeichnet somit die Grenze zwischen elastischer und plastischer Deformierung. Wird die überschritten, findet eine bleibende Deformation des Werkstücks statt. Ein hoher Wert für die ist günstig, da man viel Kraft benötigt, um eine bleibende Deformation zu erzielen. Eine Restauration ist unwiederbringlich zerstört, wenn dieser Wert überschritten wird. Praktisch bedeutet dies, dass z. B. eine Klammer oder ein Kronenrand aufgebogen ist. Im Extremfall kann es aber auch zu einem Verbiegen eines Brückengerüsts kommen. Sowohl der E-Modul als auch die sind wichtige Parameter für die Stabilität von Gerüsten. Beide Werte sollten möglichst hoch sein. In Abbildung 6 sind die Unterschiede zwischen E-Modul und dargestellt. Es gibt materialbedingt verschiedene Möglichkeiten. Kobalt-Chrom- Legierungen besitzen hohe Werte für beide Parameter. Demgegenüber haben aufbrennfähige EM-Legierungen einen nur halb so hohen E-Modul, z. T. aber eine vergleichbare. Weiche hochgoldhaltige Legierungen (z. B. für Inlays) besitzen sowohl niedrige Werte für den E-Modul als auch für die. Es gibt auch spröde Legierungen, die einen hohen Wert für den E-Modul, aber einen sehr geringen für die besitzen. Typisch für Keramiken (z. B. Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid) sind hohe E-Moduln, aber sehr niedrige n. Die Zugfestigkeit Der höchste Wert der Zugspannung wird als Zugfestigkeit bezeichnet. Sie hat keine zahntechnische Bedeutung. Werkstoffkundlich kann man die Zugfestigkeiten jedoch zum Vergleich der Festigkeiten von verschiedenen Materialien verwenden. Je höher der Wert für die Zugfestigkeit ist, desto fester ist das Material. Die Bruchdehnung Durch die angewandte Zugspannung wird das Material gedehnt. Am Ende des Versuchs reißt der Prüfkörper. Die dazugehörige Dehnung wird als Bruchdehnung bezeichnet. Sie wird grafisch bestimmt, indem die Hookesche Gerade des Spannungs-Dehnungs-Diagramms bis zum korrespondierenden Spannungswert parallel verschoben wird (s. rote gestrichelte Linie in Abb. 7). Die Bruchdehnung ist ein Maß für die Finierbarkeit eines Metalls. Je höher der Wert für die Bruchdehnung ist, desto stärker kann das Material gedehnt werden, bis es reißt. Einflussmöglichkeiten des Zahntechnikers auf die mechanischen Parameter Durch die zahntechnische Verarbeitung können die mechanischen Eigenschaften einer Legierung z. T. verändert 550

5 Bruchdehnung Abb. 7 Die Bruchdehnung ist die Dehnung, bei der das Material reißt. werden. Generell werden die mechanischen Eigenschaften durch die Zusammensetzung der Legierung vorgegeben. Für den Zahntechniker unveränderlich sind der E-Modul und der WAK: Diese Größen sind durch die Hauptbestandteile gegeben. Der Zahntechniker müsste also die Zusammensetzung massiv verändern, wenn er diese Parameter ändern wollte. Dies ist unter normalen Umständen nicht möglich. Die Härte, die und die Bruchdehnung einer Legierung können dagegen verändert werden. Durch eine übermäßige Oxidation können die Härte erhöht und die beiden anderen Größen reduziert werden, was zu einer Erhöhung der Sprödigkeit führen würde. Durch Überhitzen oder einen zu hohen Anteil von Altmaterial beim Wiedervergießen kann die Sprödigkeit stark erhöht werden. Fazit Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das aus den Werten des Zugversuchs gewonnen wird, lassen sich wichtige mechanische Kennwerte ablesen: Plastischer/elastischer Bereich (Reversibilität der Verformung) Elastizitätsmodul (Maß für die Starrheit eines Mate rials) (Maß für die Elastizität eines Materials) Zugfestigkeit (Maß für die Festigkeit eines Materials) Bruchdehnung (Maß für die Finierbarkeit eines Materials) Der Zugversuch ist das Standardverfahren für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Dentallegierungen. Er wird während der Entwicklung, aber auch zur Qualitätsüberwachung eingesetzt. Durch die Normierung sind die Werte verschiedener Arbeitsgruppen direkt miteinander vergleichbar. Literatur 1. Bargel H-J, Schulze G. Werkstoffkunde. Düsseldorf: VDI, DIN_EN_ISO_ Metallische Werkstoffe für festsitzende und herausnehmbaren Zahnersatz und Vorrichtungen. Berlin: Beuth, PD Dr. Roland Strietzel Bego Bremer Goldschlägerei Wilhelm-Herbst-Straße Bremen strietzel@bego.com 551