kaltbrüchig
Englisch: cold short
Eigenschaft eines Metalls, das bei niedriger Temperatur spröde und bruchempfindlich ist.
Kaltbruch: Metall, das beim Biegen in der Kälte reißt
Ein Metall ist kaltbrüchig, wenn es unterhalb einer bestimmten Temperatur spröde wird und bereits bei geringen mechanischen Belastungen bricht. Die Sprödigkeit tritt plötzlich auf, nicht allmählich. Stahl, Gusseisen und einige Kupferlegierungen zeigen dieses Verhalten. Ein Tragbalken, der bei Raumtemperatur sicher gebogen werden kann, kann bei minus 20 Grad Celsius wie Glas bersten.
Kaltbruch entsteht meist durch Phosphor, Schwefel oder Arsen im Metall. Diese Elemente lagern sich an den Korngrenzen ab und schwächen die Bindungen zwischen den Kristallen. Der Effekt verschärft sich mit höherem Kohlenstoffgehalt und größerer Korngröße. Mangan- und Nickelzusätze können Kaltbruch unterdrücken, indem sie diese Segregationseffekte ausgleichen. Deshalb enthalten Baustähle für tiefe Temperaturen gezielt Manganzusätze und eng festgelegte Phosphorgrenzen gemäß Normen wie ASTM A572.
Varianten und praktische Auswirkungen
Kaltbruch unterscheidet sich von Warmbruch, der Sprödigkeit bei hoher Temperatur, meist durch Sauerstoff oder Schwefel verursacht. Ein Metall kann unter einem, beiden oder keinem Phänomen leiden. Rohrstahl für arktische Umgebungen muss auf Übergangstemperatur getestet werden, beispielsweise mit Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy, die die aufgenommene Energie vor dem Bruch über einen Temperaturbereich messen. Stahl mit schlechter Kaltbruchbeständigkeit zeigt unterhalb seiner Übergangstemperatur einen deutlichen Abfall der aufgenommenen Energie.
Die Sprödbruch-Übergangstemperatur (DBTT) bestimmt die Schwelle. Austenitische Edelstähle und Aluminiumlegierungen haben DBTT typischerweise weit unter den normalen Betriebsbedingungen. Kubisch-raumzentrierte Metalle wie ferritischer Stahl und die meisten Gusseisen haben höhere DBTT und neigen zu Kaltbruch, wenn sie nicht sorgfältig eingestellt werden. Die Konstruktionspraxis berücksichtigt dies: Rohre für arktische Regionen verwenden Stahl mit DBTT unter minus 40 Grad Celsius, während gemäßigte Anwendungen höhere Übergangstemperaturen tolerieren.
Der Begriff "Bruch" spiegelt das Erscheinungsbild des spröden Bruches wider: Der Bruch ist kurz und plötzlich, mit geringer bleibender Verformung, nicht die lange duktle Einschnürung wie beim Bruch bei Raumtemperatur. Es ist ein Materialfehler, kein Verarbeitungsfehler, obwohl Verarbeitung den Fehler durch Kornverfeinerung und Elementkontrolle verringern kann.