FestigkeitzuGewichtDichte

FestigkeitzuGewichtDichte, im Englischen oft als specific strength bezeichnet, ist das Verhältnis der Festigkeit eines Materials zur Dichte. Formal ergibt sich ξ = σ_max / ρ, wobei σ_max die maximale Festigkeit (zum Beispiel Zugfestigkeit) und ρ die Dichte ist. Die Einheit ergibt sich zu Pa /(kg/m^3), was equivalently m^2/s^2 entspricht. Häufig wird auch der Ausdruck MPa/(g/cm^3) verwendet, da sich Festigkeit in MPa und Dichte in g/cm^3 angeben lässt.

Dieses Maß dient dem vergleichenden Nutzen von Materialien in gewichtskritischen Anwendungen. Ein hohes FestigkeitzuGewichtDichte-Verhältnis bedeutet, dass sich viel Festigkeit pro Masse erreichen lässt, was Leichtbaukomponenten begünstigt. Anwendungsgebiete reichen von Luft- und Raumfahrt über Automobilbau bis hin zu Sportgeräten und Windkraftanlagen. Materialien mit hohem spezifischen Festigkeitsverhältnis ermöglichen langlebige, zugleich leichte Bauteile, oft bei moderaten Kosten und akzeptable Verarbeitung.

Beispiele: Stahl mit σ_y ca. 500 MPa und Dichte ca. 7,85 g/cm^3 ergibt etwa 63 MPa/(g/cm^3). Aluminiumlegierungen (~300 MPa, 2,70 g/cm^3) liegen bei ca. 111 MPa/(g/cm^3). Faserverstärkte Kunststoffe, wie CFRP (Zugfestigkeit ca. 1,5–2,5 GPa, Dichte ca. 1,6 g/cm^3), erreichen typischerweise 900–1560 MPa/(g/cm^3). Titanlegierungen (~900 MPa, 4,5 g/cm^3) liegen bei ca. 200 MPa/(g/cm^3). Diese Werte zeigen, dass Verbundwerkstoffe oft das höchste spezifische Festigkeitsverhältnis besitzen, abhängig von Struktur, Verarbeitung und Temperatur.

Wirtschaftliche und technische Einschränkungen bleiben zu beachten: FestigkeitzuGewichtDichte bewertet nur Festigkeit und Dichte, nicht Zähigkeit, Ermüdung, Temperatur- oder Umweltverhalten. Zudem können anisotrope Eigenschaften, Herstellkosten und Lebensdauer entscheidend sein.